ВЕРТЛЮГ С ВЕРХНИМ ПРИВОДОМ Российский патент 1995 года по МПК E21B19/16 E21B21/02 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано на существующих буровых установках, работающих как на море, так и на суше.

Известно устройство для бурения скважин, в котором электродвигатель и редуктор размещены на неподвижной площадке, а вращение стволу вертлюга передается через ведущую штангу, выполненную в виде составного длинного стержня с лысками, посредством роликовых вкладышей, вмонтированных в каретке, и цепной передачи [1].

Недостатками этой конструкции являются сложность и громоздкость конструкции, а также низкий коэффициент надежности и работоспособности из-за большого количества подвижных деталей, требующих постоянной настройки и регулировки.

Существует конструкция верхнеприводной бурильной системы, в которой ствол вертлюга, являясь продолжением системы, становится ротором, встроенным в передвижную тележку корпуса (коробки) передач с размещением в ней планетарной системы передач и электродвигателя большой мощности (700 кВт и более) [2 и 3].

Недостатками этих конструкций являются:
1) сложность, громоздкость и тяжеловесность конструкции, вызванные применением специализированной коробки передач, обеспечивающей установку на ней, вне корпуса вертлюга, электродвигателя большой мощности;
2) отсутствие возможности регулировать расход электроэнергии при потреблении малых крутящих моментов вращения ствола;
3) наличие сложной системы охлаждения электродвигателя и значительный расход энергии, используемой на охлаждение.

Известна конструкция электроприводного вертлюга с системой устройств для вращательного бурения скважин [4]. Этот вариант выбран за прототип.

В указанной конструкции передача вращения стволу вертлюга осуществляется от реверсивного электродвигателя, имеющего полый вал, через планетарную передачу, встроенную в корпус вертлюга.

Недостатками этой конструкции являются:
1) наличие специализированного громоздкого электродвигателя большой мощности, содержащего пустотелый вал, диаметр отверстия которого зависит от встроенных в него элементов, обеспечивающих передачу крутящего момента стволу вертлюга и его герметизацию при пропускании через вал бурового раствора под давлением, превышающим 30 МПа (320 кг/см²);
2) отсутствие возможности регулировать расход электроэнергии при потреблении малых крутящих моментов вращения ствола;
3) низкий коэффициент надежности и работоспособности из-за большого количества подвижных деталей, находящихся внутри электродвигателя и требующих постоянной настройки, регулировки и смазки трущихся элементов;
4) наличие сложной системы охлаждения электродвигателя и его герметизации.

Целью предлагаемого технического решения является упрощение конструкции, улучшение эксплуатационных качеств, снижение энергоемкости, веса и себестоимости изготовления, уменьшение габаритов.

Указанная цель достигается тем, что привод вращения ствола вертлюга размещен внутри корпуса вертлюга и содержит неподвижное зубчатое колесо, закрепленное с корпусом; ствол, опорный фланец которого установлен на опорном подшипнике, имеющий удлиненный зубчатый венец на боковой поверхности фланца; группу сателлитов, сопряженных зацеплением с зубчатым венцом ствола с одной стороны и с зубчатым колесом корпуса с другой стороны и встроенных, в свою очередь, во вращающееся водило, имеющее в верхней части центральное зубчатое колесо, сопряженное зацеплением с двумя ведущими шестернями, закрепленными на валах регулируемых быстроходных асинхронных электродвигателей.

Другой важной целью предлагаемого вертлюга является применение дополнительного реечного механизма с гидротолкателями реек, встроенного в корпус вертлюга, рейки которого входят в зацепление с зубчатым венцом ствола вертлюга при включении гидротолкателей в момент довинчивания или начальной стадии развинчивания ствола вертлюга к (от) буровой колонне (колонны).

Предлагаемая конструкция вертлюга с верхним приводом обеспечивает:
- проведение операций по свинчиванию (развинчиванию) ствола вертлюга с (от) буровой или обсадной колонной (колонны) при спускоподъемных операциях;
- последовательное включение электродвигателей для достижения заданного технологией бурения момента кручения;
- создание дополнительного, значительного по величине, крутящего момента, необходимого при выполнении операций в период довинчивания ствола вертлюга с колонной или в период начальной стадии отвинчивания ствола вертлюга от колонны.

Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что предлагаемый вертлюг с верхним приводом отличается наличием новых элементов, а именно путем размещения на опорном фланце ствола вертлюга, удлиненного зубчатого венца, находящегося в зацеплении: постоянном в верхней части с сателлитами планетарной передачи, водило которой имеет зубчатый венец, сопряженный, в свою очередь, зацеплением с шестернями валов регулируемых быстроходных асинхронных электродвигателей; и кратковременном в нижней части с рейками реечного механизма, снабженного гидротолкателями реек, встроенных в корпусе вертлюга, перемещение которых осуществляется только в момент довинчивания или развинчивания в начальной стадии ствола вертлюга к (от) буровой колонне (колонны).

Таким образом, заявляемый вертлюг с верхним приводом соответствует критерию "Новизна".

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Существенные отличия".

На фиг. 1 изображен вертлюг с верхним приводом, вид спереди; на фиг. 2 - вертлюг, вид сбоку с вырывом по корпусу; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 1 (расположение реечного механизма с гидротолкателями).

Вертлюг с верхним приводом (фиг. 1) состоит из корпуса 1, соединенного посредством штырей 2 и гаек 3 с нижним стаканом 4, имеющим квадратное сечение; ствола 5 вертлюга и соединенного с ним переводника 6; привода 7 вращения ствола вертлюга; асинхронных электродвигателей 8 с тахогенераторами 9; верхней крышки 10 вертлюга с установленными в ней быстросъемными уплотнениями 11, подвода 12 и реечного механизма 13 с гидротолкателями 14.

На фиг. 2 показано расположение элементов планетарно-цилиндрической передачи и их взаимодействие с корпусом вертлюга. Корпус 1 вертлюга, выполненный в форме стакана, имеет внутреннюю расточку под установку опорного подшипника 15, зубчатого колеса 16 и нижнего радиально-упорного подшипника 17. К нижней части корпуса 1 вертлюга прикреплена крышка 18 со встроенными в ней деталями уплотнения 19.

Ствол 5 вертлюга пустотелый, имеет в средней части опорный фланец 20, опирающийся на опорный подшипник 15. По боковой поверхности фланца 20 размещен зубчатый венец 21, находящийся в зацеплении через шестерни сателлитов 22 с зубчатым колесом 16.

Шестерни сателлитов 22 через стаканы с подшипниками 23 качения встроены в корпус водила 24, опирающегося на опорный подшипник 25, установленный на фланце 20 ствола, и центрирующегося через подшипники 26 качения с верхним стаканом 27 вертлюга, опирающегося, в свою очередь, на опорный подшипник 28.

В верхней части водило 24 имеет зубчатое колесо 29, посредством которого и через паразитную шестерню 30 оно соединено зацеплением с ведущими шестернями 31, закрепленными на валах электродвигателей 8. Ведущие шестерни 31 имеют выходные концы, соединенные с тахогенераторами 9.

Верхняя часть привода 7, образующая цилиндрическую передачу, заключена в корпус 32, нижний фланец которого скреплен с верхним фланцем корпуса 1, а верхний фланец корпуса 32 служит крышкой для установки на ней верхнего стакана 27 вертлюга, опирающегося, в свою очередь, на опорный подшипник 28, установленный на фланце 20 ствола. В верхней части стакан 27 имеет цилиндрическую расточку под установку в нее радиального подшипника 33, центрирующего ствол 5 вертлюга, и расточку под установку в ней верхней крышки 10 вертлюга с установленными в ней быстросъемными уплотнениями 11 и подводом 12. Нижний стакан 4, имеющий квадратное сечение, устанавливается в расточку транспортной тележки 34, также имеющей квадратное сечение, посредством которой реактивные моменты, возникающие от действия привода 7 вращения и гидротолкателей 14, передаются на вертикальные пути буровой установки. Вертикальные пути буровой установки на фиг. 1-3 не показаны.

Взаимодействие реек с зубчатым венцом фланца ствола вертлюга поясняется фиг. 3. Реечный механизм 13 содержит корпус 35, внутрь которого встроена зубчатая рейка 36, соединенная осями 37 со штоками гидротолкателей 14.

Вертлюг с верхним приводом работает:
1. В режиме навинчивания ствола вертлюга на колонну.

2. В режиме бурения скважины.

3. В режиме отвинчивания ствола вертлюга от колонны.

Работа вертлюга в режиме навинчивания ствола вертлюга на колонну.

Посредством специальных устройств удержания буровой (обсадной) колонны, размещенных на буровой установке или на транспортной тележке 34 вертлюга, производится зажим колонны.

От электродвигателей 8 вращение передается ведущим шестерням 31, находящимся в зацеплении, через паразитную шестерню 30, с центральным зубчатым колесом 29 водила 24 планетарной передачи. Центральное зубчатое колесо 29, получив вращение, приводит во вращательное движение водило 24 со встроенными в него стаканами 23, содержащими шестерни сателлитов 22, перемещает их по окружности, соответствующей радиусу, равному расстоянию оси сателлитов 22 до оси ствола 5 вертлюга. Шестерни сателлитов 22, находясь в зацеплении с одной стороны с зубчатым колесом 16, обкатываясь вокруг него и вращаясь вокруг собственной оси, передают вращение зубчатому венцу 21 ствола 5 вертлюга. При касании нижней торцевой части муфты буровой (обсадной) колонны подается рабочая жидкость в полость корпуса 35, рейки 36 входят в зацепление с зубчатым венцом 21 ствола 5 вертлюга, придавая стволу дополнительный крутящий момент и обеспечивая таким образом гарантированную затяжку и герметизацию ствола вертлюга с колонной. При раскреплении колонны удерживающим устройством ствол вертлюга, проворачиваясь от действия гидротолкателей 14 и привода 7 вращения, выводит рейку 36 из зацепления с зубчатым венцом 21, обеспечивая в дальнейшем свободное вращение ствола вертлюга с колонной.

Работа вертлюга в режиме бурения скважин.

Вращение буровой колонны осуществляется от привода 7 вращения ствола 5 вертлюга с одновременной подачей бурового раствора в полость ствола 5 вертлюга.

В зависимости от потребного по технологии бурения крутящего момента в работу включается один или два электродвигателя 8. Контроль за частотой вращения ствола 5 вертлюга осуществляется тахогенераторами 9, установленными на крышке привода 7, валы которых соединены с валами ведущих шестерен 31.

Работа вертлюга в режиме отвинчивания ствола вертлюга от колонны.

Производится зажим буровой колонны специальным устройством удержания колонн и отключения подачи бурового раствора в полость ствола вертлюга.

Одновременно включается привод 7 вращения ствола 5 вертлюга и подается рабочая жидкость в полости корпуса 35 гидротолкателей 14, происходит суммирование крутящих моментов и обеспечивается гарантированное отвинчивание ствола 5 вертлюга от буровой колонны. При выводе из зацепления реек 36 с зубчатым венцом 21 ствол 5 вертлюга получает ускоренное вращение от привода 7 вращения, завершая отвинчивание (освобождение) ствола вертлюга от колонны.

Предлагаемое техническое решение позволяет значительно упростить конструкцию, улучшить эксплуатационные качества, снизить энергоемкость, вес и себестоимость изготовления, уменьшить габариты, повысить надежность электрооборудования благодаря замене дорогостоящего электродвигателя постоянного тока большой мощности на два малогабаритных асинхронных электродвигателя.

Использование: на буровых установках, работающих как на суше, так и на море. Сущность изобретения: вертлюг с верхним приводом содержит корпус и ствол. В ствол встроены привод вращения и гидротолкатели свинчивания с реечным механизмом. Реечный механизм 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. 3 ил.

ВЕРТЛЮГ С ВЕРХНИМ ПРИВОДОМ, содержащий корпус, пустотелый ствол с опорным фланцем, группу радиальных и опорных подшипников, планетарную зубчатую передачу и электродвигатель, отличающийся тем, что он снабжен установленными на корпусе вертлюга двумя асинхронными электродвигателями, реечным механизмом и гидротолкателями, при этом опорный фланец ствола вертлюга имеет зубчатый венец, верхняя часть которого находится в зацеплении с сателлитами планетарной передачи, причем сателлиты установлены в водиле, которое имеет центральное зубчатое колесо, кинематически связанное с установленными на валах асинхронных двигателей зубчатыми шестернями, а реечный механизм размещен в корпусе вертлюга с возможностью периодического взаимодействия с нижней частью зубчатого венца опорного фланца посредством связанных с рейкой гидротолкателей.