Механизмы для вращения долота

Назначение и устройство ротора.

Ротор предназначен для передачи вращения бурильной колонны при роторном бурении и восприятии реактивного крутящего момента колонны, создаваемого забойными двигателями при турбинном и электробурении. Реактивный момент воспринимается квадратными вкладышами, надетыми на ведущую трубу, а также специальным стопорным устройством в столе ротора, при включении которого вращение стола становятся невозможным. Бурильные трубы, находящиеся в стволе скважины, заторможены в роторном столе, а вал забойного двигателя вместе с долотом продолжает вращаться.

Ротор служит для удержания на весу колонны бурильных и обсадных труб. Он используется при ловильных и каротажных работах. Привод его осуществляется через буровую лебедку цепной или карданной передачей от коробки перемены передач (КПП), а также в отдельных случаях от индивидуального привода.

Ротор представляет собой зубчатый редуктор, ведомое коническое колесо которого насажено на втулку, соединенную со столом. Вертикальная ось стола расположена по оси скважины, Диаметр отверстия в роторе выбирают в зависимости от наибольшего размера пропускаемых через него обсадных или бурильных труб, турбобура или долота. Следует учитывать, что при бурении долотом большим, чем диаметр отверстия в роторе, долото может быть навинчено на колонну труб или на вал турбобура снизу под ротором. Диаметр стола зависит от размеров ротора и устанавливаемых на него клиновых захватов элеваторов; величина его обычно составляет 500-1000 мм.

Для удобства работ часть стола ротора сверху закрывают неподвижным заграждением. Роторы должны обеспечивать надежную работу на всем диапазоне рабочих чисел оборотов и передачу требуемой мощности и крутящего момента. Прочность ротора и опоры его стола должны быть достаточными, чтобы воспринимать наибольший вес колонны бурильных и обсадных труб, устанавливаемых на ротор.

Конструкция ротора должна допускать привод от карданного вала и от цепной передачи, обеспечивать достаточную герметичность и предохранение механизмов от попадания промывочной жидкости, грязи и пр. Вес ротора и его конфигурация должны допускать транспортировку при помощи транспортных средств и волоком в пределах промысла. Объем масляной ванны ротора должен быть достаточным не только для обеспечения надежной смазки трущихся деталей, но и для отвода тепла, выделяемого при работе.

Рабочее направление вращения стола ротора всегда должно быть по часовой стрелке, если смотреть сверху, однако конструкция ротора должна допускать и обратное вращение, применяемое при ловильных и других работах. В главной опоре, воспринимающей осевую статическую и рабочую нагрузки, возникающие при установке колонны на стол ротора и от трения ведущей штанги – квадрата о вкладыши при подаче инструмента, применяют радиально-упорные шариковые или конические подшипники качения.

Во вспомогательной опоре, воспринимающей радиальные нагрузки от зубчатой передачи и удары вверх при бурении и подъеме инструмента, применяют либо радиально-упорные подшипники качения, либо подшипники скольжения с упорным буртом. Большинство конструкций роторов изготовляют с приводом стола непосредственно конической передачей.

Выбор той или иной конструктивной схемы зависит от назначения, требований, размера и типа ротора, а также технологических возможностей завода изготовителя. Конструктивно лучшей схемой является та, в которой ведомое колесо расположено между опорами, вследствие чего обеспечивается большее расстояние между опарами.

Рисунок 6. Схема ротора: 1-вспомогательная опора, 2 – литой стальной корпус, 3- стол ротора, 4 – упорный шариковый подшипник, 5 – зажимы для ВБТ, 6 – вкладыши, 7 – кольцевой кожух, 8 – вал, 9 – цепное колесо, 10 – закрепляющая гайка.

Назначение и устройство системы верхнего привода.

Система верхнего привода (СВП) в последнее время становится наиболее популярным способом бурения нефтяных и газовых скважин. Этой системой оборудуются как импортные, так и отечественные буровые установки. Такие установки используются, например, на Каспийском шельфе в Астрахани. СВП являются принципиально новым типом механизмов буровых установок, обеспечивающих выполнение целого ряда технологических операций. В принципе верхний привод представляет собой подвижный вращатель с сальником – вертлюгом, оснащенный комплексом средств механизации СПО – силовой вертлюг. Назначение:

• Вращение бурильной колонны с регулированием частоты при бурении, проработке и расширении ствола скважины, при подъеме/спуске бурильной колонны.

• Торможение бурильной колонны и её удержание в заданном положении.

• Обеспечение проведения спускоподъемных операций в том числе: наращивание/разборка бурильной колонны свечами и одиночными трубами; свинчивание/развинчивание бурильных труб, докрепление/раскрепление резьбовых соединений переводников и шаровых кранов; подача бурильных труб к стволу/удаление от ствола вертлюга.

• Проведение операций по спуску обсадных колонн в скважину.

• Промывка скважины и одновременное проворачивание бурильной колонны.

• Задание и обеспечение величин крутящего момента и частоты вращения, их измерение и вывод показаний на дисплей шкафа управления, выносной дисплей, пульт управления и на станцию геолого-технических исследований.

• Дистанционное управление.

• Герметизация внутритрубного пространства шаровыми кранами.

• Расхаживание бурильных колонн и промывку скважины при ликвидации аварий и осложнений.

Устройство системы верхнего привода.

Подвижная часть СВП (рисунок 7) состоит из вертлюга-редуктора 1, который на специальных штропах 2 подвешен на траверсе талевого блока 3. На верхней крышке вертлюга-редуктора установлен взрывозащищенный электродвигатель постоянного тока 4 в вертикальном фланцевом исполнении, с видом взрывозащиты «продувка под избыточным давлением». Причем забор и выброс продуваемого воздуха происходят из взрывобезопасной зоны. Один конец электродвигателя через эластичную муфту соединен с быстроходным валом двухступенчатого односкоростного редуктора. На другом конце вала установлен диско-колодочный тормоз 5. К корпусу вертлюга-редуктора крепится специальная рама 6, через которую блоком роликов 7 передается крутящий момент на направляющие 14 и с них – на вышку. Между талевым блоком и вертлюгом редуктором установлена система разгрузки резьбы 8, обеспечивающая автоматический вывод резьбовой части ниппеля замка бурильной трубы из муфты при развинчивании и ход ниппеля при свинчивании замка. При этом исключается повреждение резьбы.

Рисунок 7 – Схема системы верхнего привода

1 – вертлюг-редуктор; 2 – штропы вертлюга-редуктора; 3 – талевая система; 4 – электродвигатель постоянного тока; 5 – диско-колодочный тормоз; 6 – рама с роликами (каретка); 7 – блок роликов; 8 – система разгрузки резьбы; 9 – трубный манипулятор; 10 – вертлюжная головка; 11 – штропы элеватора; 12 – гидроцилиндры отвода штропов элеватора; 13 – трубный зажим; 14 – направляющие мачты; 15 – гидроцилиндр управления трубным зажимом; 16 – гидродвигатель; 17 – траверса вертлюжной головки; 18 – элеватор; 19 – шаровой кран; 20 – ниппель; 21 – стопорное устройство; 28 – клиновой захват

Принцип работы системы верхнего привода.

Исходное положение механизмов системы верхнего привода:

гидростанция отключена; 2) вертлюжная головка застопорена стопорным устройством; 3) штропы элеватора отведены в 1-е положение «Назад» посредством цилиндров; 4)шаровые краны открыты; 5) тормоз основного двигателя расторможен; 6)система разгрузки резьбы находится под давлением пневмогидроаккумулятора; 7) трубный зажим разжат.

Процесс бурения. При бурении для вращения бурильной колонны используется основной электродвигатель силового вертлюга. После проверки исходного положения всех механизмов выполняются следующие операции: 1) включается насос маслосмазки вертлюга-редуктора; 2) включается вентилятор двигателя силового вертлюга; 3) восстанавливается циркуляция бурового раствора; 4) включается двигатель силового вертлюга; 5) включается подача инструмента и начинается бурение. При бурении забойным двигателем, кроме перечисленного, для восприятия реактивного момента от турбобура необходимо наложить колодки гидравлического тормоза диск вала и удерживать их в таком положении до окончания бурения. Бурение продолжается до касания воронкой трубного зажима стола ротора или ключа бурильщика.

Процесс наращивания бурильной колонны свечой. Для наращивания бурильной колонны свечой необходимо выполнить следующие операции: 1) Не отсоединяя от ствола СВП, приподнять бурильную колонну на высоту разъема, посадить ее на клинья ПКР; прекратить подачу бурового раствора в скважину; закрыть оперативный шаровой кран; произвести трубным зажимом зажим муфты бурильной колонны; передать вращение от электродвигателя на шпиндель и отсоединить ствол СВП от бурильной колонны; разжать трубный зажим. 2) Начать подъем СВП с одновременным отводом штропов элеватора из первого положения; верхний конец наращиваемой свечи вывести из-за пальца верхней секции магазина; прекратить подъем талевого блока; завести верхний конец свечи в элеватор, закрыть створку. 3) Поднять свечу на необходимую высоту, нижний конец установить в муфту бурильной колонны; произвести свинчивание и докрепление муфты бурильной колонны с ниппелем свечи ключом бурильщика или машинным ключом. 4) СВП приспустить вниз до попадания верхней муфты свечи в направляющую воронку трубного зажима и вхождения резьбовой части ствола вертлюга в резьбовую часть муфты до упора; произвести захват трубным зажимом муфты свечи; включить электродвигатель и произвести свинчивание и докрепление ствола вертлюга-редуктора с бурильной колонной. 5) Разжать трубный зажим; открыть клапан и подать промывочную жидкость; начать бурение.

Процесс наращивания бурильной колонны однотрубкой. Для наращивания бурильной колонны однотрубкой необходимо выполнить следующие операции: приподнять бурильную колонну на высоту разъема, не отсоединяя ее от ствола СВП; посадить бурильную колонну на клинья ПКР; прекратить подачу бурового раствора в скважину; закрыть оперативный шаровой кран, зажать муфту бурильной колонны; отсоединить ствол СВП от бурильной колонны, включив электродвигатель силового вертлюга на вращение, раскрепив и отвинтив замковую резьбу. Начать подъем талевого блока с одновременным отводом штропов элеватора из первого положения; прекратить подъем талевого блока; открыть стопор, включить гидромотор для вращения траверсы трубного манипулятора так, чтобы открытая створка элеватора была направлена на однотрубку, в зависимости от ее местонахождения: или в шурфе для наращивания, или на мостках; установить однотрубку в элеватор и закрыть створку; завести верхний конец свечи в элеватор, закрыть створку. Поднять талевый блок и вывести однотрубку на центр скважины; приспустить ее и установить нижний конец однотрубки в муфту бурильной колонны; провести операции по свинчиванию однотрубки с колонной и свинчивание ствола вертлюга-редуктора с однотрубкой, т.е. выполнить последовательность операций по режиму; свечу поднять на необходимую высоту, нижний конец установить в муфту бурильной колонны; произвести свинчивание и докрепление муфты бурильной колонны с ниппелем свечи ключом КБГ-2 или машинным ключом. СВП приспустить вниз до попадания верхней муфты свечи в направляющую воронку трубного зажима и вхождения резьбовой части ствола вертлюга в резьбовую часть муфты до упора; захватить трубным зажимом муфту свечи; включить электродвигатель и произвести свинчивание и докрепление ствола вертлюга-редуктора с бурильной колонной. Разжать трубный зажим; открыть клапан и подать промывочную жидкость; начать бурение.

Подъем бурильной колонны. Подъем бурильной колонны СВП практически ничем не отличается от подъема бурильной колонны крюкоблоком с ручным элеватором. При необходимости колонна может проворачиваться. Для этого необходимо соединить ствол вертлюга с бурильной колонной. Преимуществом подъема бурильной колонны СВП является возможность подачи элеватора системой отклонения штропов непосредственно к «верховому» рабочему. Кроме того, наличие в СВП системы разгрузки резьбы предотвращает повышенный износ резьбы.

Спуск бурильной колонны в осложненной скважине. Спуск бурильной колонны в осложненной скважине или в ее горизонтальной части в основном аналогичен наращиванию бурильной колонны свечой при бурении.

Процесс ликвидации аварий (прихватов). При ликвидации прихватов на двигателе силового вертлюга устанавливается максимальный момент Мmах=2МН. При достижении двигателем максимального момента накладывается тормоз. После этого начинается расхаживание бурильной колонны в скважине.

Спуск обсадной колонны с циркуляцией промывочной жидкости и вращением. Иногда возникает необходимость провести спуск обсадной колонны с циркуляцией бурового раствора и вращением ее. Для этого необходим переводник с замковой резьбы 3-171 на резьбу обсадной колонны. Например, переводник с замковой резьбы на резьбу обсадной трубы ПЗ-171/168…426 (отраслевая нормаль Н-545-58), но с более удлиненной верхней частью для того, чтобы трубный зажим смог ее зажать. Затем соединить ствол вертлюга с переходником.

Основными производителями систем верхнего привода являются следующие компании: Bentec; Varco; Drillmec; TESCO; ПромТехИнвест; Уралмаш; ВЗБТ.

Турбобур

Турбобур представляет собой многоступенчатую гидравлическую турбину, к валу которой непосредственно или через редуктор присоединяется долото. Каждая ступень турбины состоит из диска статора и диска ротора (Рисунок 8)

Рис. 8. Схема турбобура: а – общий вид; б – ступень турбобура;

1 – вал; 2 – корпус; 3 – ротор; 4 – статор

В статоре, жестко соединенном с корпусом турбобура, поток бурового раствора меняет свое направление и поступает в ротор, где отдает часть своей гидравлической мощности на вращение лопаток ротора относительно оси турбины. При этом на лопатках статора создается реактивный вращающий момент, равный по величине и противоположный по направлению вращающему моменту ротора. Перетекая из ступени в ступень буровой раствор отдает часть своей гидравлической мощности каждой ступени. В результате вращающие моменты всех ступеней суммируются на валу турбобура и передаются долоту. Создаваемый при этом в статорах реактивный момент воспринимается корпусом турбобура и БК.

Режим, при котором мощность турбины достигает максимального значения, называется экстремальным. Все технические характеристики турбобуров даются для значений экстремального режима. В этом режиме работа турбобура наиболее устойчива.

Для бурения наклонно-направленных скважин разработаны шпиндельные турбобуры — отклонители типа ТО.

Турбобур — отклонитель состоит из турбинной секции и укороченного шпинделя. Корпуса турбинной секции и шпинделя соединены кривым переводником.

Винтовой забойный двигатель

Рабочим органом винтового забойного двигателя является винтовая пара: статор и ротор (Рисунок 9).

Статор представляет собой металлическую трубу, к внутренней поверхности которой привулканизирована резиновая обкладка, имеющая 10 винтовых зубьев левого направления, обращённых к ротору.

Ротор выполнен из высоколегированной стали с девятью винтовыми зубьями левого направления и расположен относительно оси статора эксцентрично.

Кинематическое отношение винтовой пары 9:10 и соответствующее профилирование её зубьев обеспечивает при движении бурового раствора планетарное обкатывание ротора по зубьям статора и сохранение при этом непрерывного контакта ротора и статора по всей длине. В связи с этим образуются полости высокого и низкого давления и осуществляется рабочий процесс двигателя.

Вращающий момент от ротора передаётся с помощью двухшарнирного соединения на вал шпинделя, укомплектованного многорядной осевой шаровой опорой и радиальными резино-металлическими опорами. К валу шпинделя присоединяется долото. Уплотнение вала достигается с помощью торцевых сальников.

Когда двигатель работает с максимальным вращающим моментом, режим называют оптимальным, а с максимальной мощностью — экстремальным. Увеличение нагрузки на долото после достижения экстремального режима работы двигателя приводит к торможению вала двигателя и к резкому ухудшению его характеристики.

Неэффективны и нагрузки на долото, при которых момент, развиваемый двигателем, меньше момента, обеспечивающего оптимальный режим его работы.

Электробур – это электродвигатель, защищенный от проникновения жидкости, питание к которому подается по кабелю с поверхности.

Преимущества электробура по сравнению с гидравлическими забойными машинами:

• режим работы практически не зависит от свойств циркуляционного агента

•токоподвод к электробуру является каналом связи, позволяющим использовать забойные системы контроля режима работы породоразрушающего инструмента и непрерывно следить за направлением ствола скважины

• все детали работают в среде, изолированной от промывочной жидкости, он меньше подвержен абразивному износу и его рабочая характеристика остается практически неизменной в течение всего срока работы.

Рис.9. Схема винтового двигателя: а – общий вид; б – полости, образуемые между ротором (винтом) и статором; 1 – переводник; 2 – корпус двигательной секции; 3 – статор; 4 – ротор; 5 – карданный вал; 6 – корпус шпинделя; 7 – торцовый сальник; 8 – многорядный радиально-упорный подшипник; 9 – радиально резинометаллическая опора; 10 – вал шпинделя