Верхний силовой привод буровой установки

Изобретение относится к установкам, предназначенным для вертикального, наклонно-направленного и горизонтального бурения нефтяных и газовых скважин в составе буровых установок. Задачи, на решение которых направлено изобретение, заключаются в создании новой конструкции верхнего силового привода (ВСП) буровой установки, обладающей улучшенными качественно-техническими показателями. Технический результат изобретения заключается в повышении надежности и долговечности установки за счет нового выполнения привода вращения, что обеспечивает его надежную работу в составе ВСП при вертикальных нагрузках в процессе бурения. Поставленные задачи решены следующим образом. Верхний силовой привод буровой установки содержит вертлюг с приводом вращения, ползуном для вертикального перемещения по направляющей балке и трубным манипулятором и отличается тем, что силовая установка привода вращения смонтирована на верхней крышке корпуса редуктора вертлюга и выполнена в виде двух, симметрично расположенных относительно оси вращения вертлюга и вертикально установленных, электродвигателей, снабженных гидравлическими тормозами, при этом выходной вал каждого электродвигателя посредством зубчатого цилиндрического редуктора, соединен с валом вертлюга, который вращается с заданной скоростью и крутящим моментом в прямом или обратном направлении, при этом упомянутые электродвигатели связаны со станцией управления электроприводом с частотным регулированием, при необходимости, упомянутый привод вращения может содержать один электродвигатель. Кроме того, редуктор выполнен в виде двухступенчатой зубчатой цилиндрической передачи с передаточным числом близким к 10. На корпусе редуктора смонтирован электронасосный агрегат для питания гидрооборудования ВСП (трубный манипулятор, гидротормозы). Фиг.2 наиболее полно отражает сущность заявляемого изобретения.

Полезная модель относится к установкам, предназначенным для вертикального, наклонно-направленного и горизонтального бурения нефтяных и газовых скважин в составе буровых установок.

Известен верхний силовой привод установки горизонтального бурения нефтяных скважин (RU 29551, Е 21 В 19/00, Е21В 3/00, 2003.07.13). Он содержит силовой вертлюг с кареткой, установленной на направляющей привода, механизм отклонения силового вертлюга от оси скважины, механизм подачи бурильных труб, и отличается тем, что механизм отклонения силового вертлюга от оси 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.

Известен безредукторный верхний силовой привод буровой установки (RU 2237790, Е21В 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. К недостаткам этого устройства можно отнести не высокую долговечность и надежность привода.

Известен верхний силовой привод буровой установки (RU 55846, Е21В 19/00, Е21В 3/00, 2004.12.28). Он 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 и отличается тем, что привод вращения вертлюга снабжен дополнительным высокомоментным гидромотором, установленным на верхней крышке корпуса вертлюга рядом с ранее упомянутым высокомоментным гидромотором, при этом выходные валы высокомоментных 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.

К недостаткам привода можно отнести невысокую долговечность и низкую надежность привода, обусловленную применением высокомоментных гидромоторов в верхнем силовом приводе (ВСП) буровой установки. Вертикальные нагрузки (удары и вибрации) в процессе бурения, действующие на детали поршневой группы гидромоторов в плоскости, перпендикулярной осям цилиндров, приводят их к быстрому износу и поломкам. Дополнительным фактором, снижающим надежность привода, является применение рабочих жидкостей в гидроприводе высокомоментных моторов, эксплуатационные свойства которых ухудшаются вследствие загрязнения в процессе работы и износа уплотнений.

Известен ВСП (Буровая система верхнего привода TDS 11SA Varco Systems, Техническая инструкция, апрель 1998 г). Он содержит вертлюг с приводом вращения, ползун для вертикального перемещения по направляющей балке, трубный манипулятор, привод вращения, смонтированный на верхней крышке корпуса редуктора вертлюга и содержащий электродвигатели, снабженные гидравлическими тормозами. Выходной вал каждого электродвигателя посредством редуктора, соединен с валом вертлюга, который вращается с заданной скоростью и крутящим моментом в прямом или обратном направлении. Это техническое решение принято в качестве прототипа.

К недостаткам известного привода можно отнести невысокую долговечность привода, связанную с выполнением редуктора электропривода, обеспечивающим трансформацию крутящего момента и частоты вращения.

Задачи, на решение которых направлена полезная модель, заключаются в создании новой конструкции верхнего силового привода (ВСП) буровой установки, обладающей улучшенными качественно-техническими показателями.

Технический результат полезной модели заключается в повышении надежности и долговечности установки за счет нового выполнения привода вращения, что обеспечивает его надежную работу в составе ВСП при вертикальных нагрузках в процессе бурения. Увеличение суммарного передаточного числа зубчатых передач в редукторе электропривода обеспечивает оптимальную трансформацию крутящего момента и частоты вращения. Кроме того, обеспечена возможность отключения, в случае возникновения нештатных ситуаций, одного из двигателей без его демонтажа.

Поставленные задачи решены следующим образом. Верхний силовой привод буровой установки содержит вертлюг с приводом вращения, ползун для вертикального перемещения по направляющей балке, трубный манипулятор, силовую установку привода вращения, смонтированную на верхней крышке корпуса редуктора вертлюга. ВСП отличается тем, что вал каждого из двух, симметрично расположенных относительно оси вращения вертлюга и вертикально установленных, электродвигателей, соединен с валом вертлюга посредством редуктора с двухступенчатой зубчатой цилиндрической передачей с передаточным числом близким к 10, при этом привод вращения дополнительно снабжен зубчатой муфтой демонтажа, отключающей, при необходимости, один из электродвигателей. Кроме того, электродвигатели связаны со станцией управления посредством электропривода с частотным регулированием. Кроме того, на корпусе редуктора смонтирован электронасосный агрегат, связанный со вспомогательным гидрооборудованием

Из известных источников информации не выявлено технических решений ВСП, описанных указанной выше совокупностью существенных признаков Предлагаемая полезная модель поясняется рисунками.

На фиг. 1 изображен общий вид ВЭП справа, на фиг. 2 - вид ВЭП спереди, на фиг. 3, 4 - вид ВЭП в разрезе.

Вертлюг верхнего электропривода (ВЭП) 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 рукава манифольда для подачи бурового раствора в бурильную колонну. Вал 2 вертлюга установлен в подшипниковых опорах: верхний 5 радиально-упорный однорядный конический роликовый подшипник; нижний 6 самоустанавливающийся сферический двухрядный роликовый подшипник, выдерживающий радиальные и двухсторонние осевые нагрузки; средний 7 упорный сферический роликовый подшипник, предназначенный для восприятия основной весовой нагрузки привода;

Симметрично на боковых поверхностях корпуса 1 расположены ниши 8 для установки верхних штропов 9, которые соединяются с крюкоблоком через траверсу 10 с компенсаторы веса 11. На верхней крышке корпуса 1 установлены расположенные симметрично два электродвигателя 12 с гидравлическими тормозами 13. Посредством редуктора с двухступенчатой зубчатой цилиндрической передачей 14 с передаточным числом близким к 10, выходные валы электродвигателей соединены с грузовым валом 2 вертлюга.

Открытие внутритрубного пространства для подачи бурового раствора и перекрытие бурильной колонны при нефте-газо-водо-проявлениях производится с помощью шарового крана 15.

С корпусом 1 вертлюга соединен ползун 16. В нижней части ВЭП установлен трубный манипулятор 17, сквозь внутреннюю полость которого проходит вал 2 вертлюга. Корпус трубного манипулятора 17 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 18 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 19 представляет собой деталь с внутренним отверстием и двумя симметрично расположенными консольными выступами, предназначенными для подвешивания с возможностью поворота с помощью гидроцилиндров 20 двух штропов 21 с элеватором (на рисунке не показан). 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;

- фиксации бурильной трубы в захвате при свинчивании и развинчивании соединений;

- телескопировании лапы захвата 18 для совмещения вала вертлюга с бурильной трубой;

- использовании компенсационного хода при свинчивании и развинчивании трубных замковых соединений.

ВЭП устанавливают на мачте буровой установки посредством крепления направляющей балки 22 к металлоконструкции мачты. Подвижная часть ВЭП имеет возможность перемещения с помощью ползуна 16 по направляющей. Ползун представляет собой несущую рамную конструкцию, в поперечном сечении -прямоугольник, разомкнутый по одной из длинных сторон. По всем рабочим поверхностям внутри ползуна установлены и закреплены вкладыши из антифрикционного материала. Перемещение «вверх-вниз» ВЭП осуществляется с помощью лебедки и крюкоблока буровой установки.

При работе, два электродвигателя 12 и двухступенчатая зубчатая цилиндрическая передача 14, (с передаточным числом, близким к 10), обеспечивают вращение вала вертлюга с различными скоростями и крутящими моментами в прямом или обратном направлениях. При необходимости, в случае возникновения нештатных ситуаций в приводе вращения один из двигателей может быть отключен без его путем отключения зубчатой муфты 23 демонтажа.

Питание вспомогательного гидрооборудования ВЭП осуществляют с помощью электронасосного агрегата 24, расположенного на корпусе редуктора.

Два шаровых крана 16, один из которых управляется вручную, а другой -гидромеханическим приводом, обеспечивают возможность подачи бурового раствора в бурильную колонну и перекрытие канала вала вертлюга при нефте-газо-водо-проявлениях. Удержание груза труб бурильной колонны при отсутствии вращения и при вращении колонны обеспечивается самой конструкцией корпуса 1. Удержание от проворота бурильных труб (и переводников) обеспечивают лапой захвата 18 трубного манипулятора 17.

Станция управления электроприводом (СУЭП) обеспечивает питание и частотное регулирование электродвигателями, управление вспомогательным гидроэлектрооборудованием подвесной части, измерение, контроль, блокировки и индикацию основных параметров работы ВЭП.

ВЭП 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 элеватора; удержание в промежуточных положениях элеватора при горизонтальных перемещениях; поворот трубного манипулятора (элеватора) в горизонтальной плоскости с дискретной фиксацией положений; подачу и удаление бурильных труб («свечей») при наращивании бурильной колонны и ее подъеме из скважины; открытие-перекрытие внутреннего отверстия грузового вала ВЭП; прогрев гидравлической жидкости и прокачку гидролиний вспомогательного гидрооборудования ВЭП; работу с «погружным» инструментом.

Основные технические параметры изделия, реализуемые в рабочие функции: -крутящий момент - создается на выходном валу вертлюга работой двух электромоторов и зубчатой цилиндрической передачей редуктора вертлюга, (обеспечивает вращение вала вертлюга с различными скоростями, направлениями и различными крутящими моментами);

- тормозной момент - создается на валу вертлюга за счет работы гидротормозов на валах двух основных электромоторов (обеспечивает остановку, удержание в застопоренном положении и растормаживание вала вертлюга);

- усилие прямого (обратного) хода гидроцилиндров наклона штропов (обеспечивает горизонтальное перемещение штропов элеватора);

- осевые усилия, выдерживаемые корпусом вертлюга от нагрузок, передаваемых валом 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 при необходимости герметизацию внутритрубного пространства бурильной колонны при нефте-газо-водо-проявлениях).

Управление скоростью и направлением вращения вала вертлюга, крутящим и тормозным моментами, усилиями прямого (обратного) хода гидроцилиндров и гидроприводом шарового клапана осуществляется с помощью электрогидро-распределителей, регуляторов основного и вспомогательного насосов, контрольно-регулирующей аппаратуры (тормозных клапанов, предохранительных и редукционных клапанов, дросселей), соединительных гидравлических линий и арматуры. Управление осуществляется с устройств СУЭП и дистанционного пульта управления бурильщика.

Полезная модель найдет применение на установках для бурения нефтяных и газовых скважин.

1. Верхний силовой привод буровой установки, содержащий вертлюг с приводом вращения, ползун для вертикального перемещения по направляющей балке, трубный манипулятор, силовую установку привода вращения, смонтированную на верхней крышке корпуса редуктора вертлюга, отличающийся тем, что вал каждого из двух симметрично расположенных относительно оси вращения вертлюга и вертикально установленных электродвигателей соединен с валом вертлюга посредством редуктора с двухступенчатой зубчатой цилиндрической передачей с передаточным числом, близким к 10, при этом привод вращения дополнительно снабжен зубчатой муфтой демонтажа, отключающей при необходимости один из электродвигателей.

2. Верхний силовой привод буровой установки по п.1, отличающийся тем, что электродвигатели связаны со станцией управления посредством электропривода с частотным регулированием.

3. Верхний силовой привод буровой установки по п.1, отличающийся тем, что на корпусе редуктора смонтирован электронасосный агрегат, связанный со вспомогательным гидрооборудованием.