3. Вертлюги. Назначение, устройство, условия работы, основные требования. Расчет и выбор основных параметров вертлюга.

Вертлюг предназначен для подвода бурового раствора во вращающуюся бурильную колонну. В процессе бурения вертлюг подвешивается к автоматическому элеватору либо к крюку талевого механизма и посредством гибкого шланга соединяется со стояком напорного трубопровода буровых насосов. При этом ведущая труба бурильной колоннысоединяется с помощью резьбы с вращающимся стволом вертлюга, снабженным проходным отверстием для бурового раствора. Во время спускоподъемных операций вертлюг с ведущей трубой и гибким шлангом отводится в шурф и отсоединяется от талевого блока. При бурении забойными двигателями вертлюг используется для периодических поворачиваний бурильной колонны с целью предотвращения прихватов.

В процессе эксплуатации вертлюг испытывает статические осевые нагрузки от действия веса бурильной колонны и динамические нагрузки, создаваемые продольными колебаниями долота и пульсацией промывочной жидкости. Детали вертлюга, контактирующие с раствором, подвергаются абразивному износу. Износостойкость трущихся деталей вертлюга снижается в результате нагрева при трении.

К вертлюгам предъявляются следующие основные требования:

поперечные габариты не должны препятствовать его свободному перемещению вдоль вышки при наращивании бурильной колонны и спуско-подъемных операциях;

быстроизнашиваемые узлы и детали должны быть удобными для быстрой замены в промысловых условиях;

подвод и распределение масла должны обеспечить эффективную смазку и охлаждение трущихся деталей вертлюга;

устройство для соединения с талевым блоком должно быть надежным и удобным для быстрого отвода и выноса вертлюга из шурфа.

Назначение и схемы

Вертлюг — промежуточное звено между поступательно пере­мещающимся талевым блоком с крюком, буровым рукавом и вращающейся бурильной колонной, которая при помощи замковой резьбы соединяется через ведущую трубу со стволом вертлюга. Для обеспечения подачи бурового раствора или газа перемещающийся вертлюг соединен с напорной линией при помощи гибкого бурового рукава, один конец которого крепится к отводу вертлюга, а второй — к стояку на высоте, несколько большей половины его длины.

Выбор основных параметров

Параметры вертлюга должны отвечать требованиям бурения и промывки скважин и одновременно соответствовать аналогичным параметрам подъемного механизма и буровых насосов.

Допускаемая статическая нагрузка — постоянная осевая нагрузка, которую может выдержать вертлюг без разрушения при певращающемся стволе. Уровень осевых нагрузок, действующих на ствол вертлюга, зависит от глубины бурения и достигает наибольших значений при подъеме прихваченной бурильной колонны лпбо при рассаживании обсадной колонны с циркуляцией бурового раствора. При этом в целях безопасности наибольший уровень действующих нагрузок не должен превышать допускаемой нагрузки на крюке, принятой для буровой установки соответствующего класса. Поэтому допускаемая статическая нагрузка вертлюга должна быть не менее допускаемой нагрузки на крюке буровой установки.

Динамическая нагрузка установлена исходя из условия обеспечения расчетного ресурса основной опоры вертлюга при вращении с частотой 100 об/мин в течение 3000 ч. Основная опора вертлюга вращается с подвешенной к нему бурильной колонной, масса которой возрастает по мере углубления скважины и зависит от используемых труб. Согласно этому, динамическая нагрузка на вертлюг рассчитывается по наиболее тяжелой бурильной колонне, используемой при бурении скважин заданной глубины. Исходя из общепрпнятой методики расчета подшипников, динамическая нагрузка на вертлюг  G_б.к, соответствующая весу бурильной колонны при частоте вращения 100 об/мин и ресурсе 3000 ч, определяется по формуле

G_б.к=С/1, 9,

где C — динамическая нагрузка на подшипник вертлюга, кН.

Максимальное давление прокачиваемой жидкости определяется, исходя пз режима промывки скважины, и должно быть не менее наибольшего давления насосов, используемых в буровой установке соответствующего класса.

Диаметр проходного отверстия ствола оказывает двоякое воздействие па работу вертлюга. С его увеличением снижается скорость течения промывочной жидкости, поэтому уменьшаются гидравлические потери и износ внутренней поверхности ствола. Одновременно с диаметром проходного отверстия возрастает наружный диаметр ствола и в результате этого увеличивается скорость скольжения и износ ствола и его уплотнения. Поэтому чрезмерное увеличение проходного отверстия ствола нежелательно. На основе опыта конструирования и эксплуатации вертлюгов диаметр проходного отверстия ствола принимается равным 75 мм. Внутренний диаметр напорной трубы равен диаметру проходного отверстия ствола вертлюга.

Частота вращения ствола вертлюга совпадает с частотой вращения стола ротора и изменяется в пределах 15 — 250 об/мин.

Высота штропа должна быть достаточной для соединения вертлюга с крюком талевого механизма.

4. Спуско-подъемный механизм. Назначение, состав, условия работы. Талевая система. Назначение, состав, конструктивные схемы. Основные параметры. Кинематика спуско-подъемного механизма. Тахограммы подъема и спуска. Динамика спуско-подъемного механизма

В зависимости от выполняемых функций спуско-подъемный комплекс (СПК) характеризуется различным составом и степенью сложности и представляет совокупность агрегатов, механизмов и органов, служащих для спуска, подъема и удержания на весу колонн бурильных, обсадных и насосно-компрессорных труб,  обеспечения технологически необходимых манипуляций с ними при проводке, ремонте и исследовании скважин. 

Состав СПК определяется разнообразием операций,  составляющих процессы СПО и буренияОрганы, входящие в СПК в различной степени определяют его тип. В качестве основных следует выделить: 

•механизм подъема; 

•вращатель; 

•механизм свинчивания-развинчивания; 

•механизм захвата труб; 

•трубоприемник; 

•механизм укладки труб. 

Следует отметить, что сочетание механизмов СПК друг с другом, используемых в настоящее время в работающих установках, зависит от назначения установки и условий работы. 

Подвижный вращатель может применяться как с лебедочным подъемом, так и с механизмом подачи. Толкатель используется только при лебедочном подъеме.  Проходной ключ для свинчивания-развинчивания входит в состав СПК в станках с лебедочным подъемником. С кассетирующим устройством сочетается механизм подачи.  Шпиндельный вращатель является элементом СПК в станках  колонкового бурения, а для бурения глубоких скважин используется ротор и подвижный вращатель. Клиновые захваты колонны труб сочетаемы с ротором, но не приемлемы с подвижным и шпиндельным вращателем. Труборазвороты РТ-  1200М, предназначенные для труб замкового соединения, не могут свинчивать трубы ниппельного соединения и соединения «труба в трубу». Автоматизированные  электроприводные штанговые ключи типа КД2 эффективны на больших глубинах и не выгодны для текущего ремонта. Цепные ключи типа КЦН для свинчивания-развинчивания обсадных труб применяются только на установках малой и средней грузоподъемности, а не на тяжелых установках. Ключ АКБ-3М свинчивает свечи при СПО с трубами  всей типов замковых соединений при эксплуатационном бурении и капитальном ремонте, но не может быть использован на геологоразведочном бурении в  станках шпиндельного типа. Кольцевой ручной элеватор не применяется на буровых без верхового рабочего, а полуавтоматические элеваторы для труб муфто-замкового соединения - в комплекте с ротором и при работе с трубами ниппельного соединения. Они сочетаются со шпиндельным вращателем. 

Анализ существующих конструкций буровых установок показывает, что классическая схема подъемного механизма (лебедка, канатно-полиспастная система,  вышка) является наиболее распространенной.

Талевая системаустановок представляет собой полиспастный механизм, состоящий из кронблока, талевого блока, стального каната, являющегося гибкой связью между буровой лебедкой и механизмом закрепления неподвижного конца каната и объединяющего кронблок (неподвижная часть талевой системы) с талевым блоком (подвижная часть талевой системы). Талевая система предназначена для кратного увеличения подъемной силы установки при столь же кратном снижении скорости подъема (спуска) и нагрузки на тяговый орган установки (лебедку). Талевая система характеризуется оснасткой, записываемой в виде числа шкивов талевого блока и кронблока, к примеру 2 х3, 3 х4, 4 х5, 5 х6 и т.д. Кратность оснастки определяется умножением числа шкивов талевого блока на 2 и равна числу рабочих струн, удерживающих нагрузку на крюке и талевом блоке. Чем больше число рабочих струн каната и шкивов участвует в работе, тем медленнее будет подниматься (опускаться) талевый блок с крюком. Усилие в струнах талевого каната в состоянии покоя и движении не одинаковы.

При статическом нагружении (в состоянии покоя):

Р_т = Р _К MAX+ G_ТС

При динамическом нагружении

Р_т = (Р _К MAX+ G_ТС) (1+ ε_к /g)

Где: Р _К MAX– максимальная нагрузка на крюке

G_ТС - вес талевой системы (вес талевого блока, крюка и 2/3 веса длины каната талевой оснастки)

ε_к - ускорение крюка при подъеме (спуске)

g - ускорение свободного падения

Каким бы ни было усилие в рабочих струнах Рт – статическим или динамическим, оно равно: Рт = Р₁+ Р₂+Р₃ + …..Р_n;

Где : - Р₁+ Р₂+Р₃ + …..Р_nусилия в рабочих (несущих) струнах талевой системы. В состоянии покоя они равны между собой, т.е.

Р₁= Р₂=Р₃ = …..Р_n= Рх = Рн

где : Рх и Рн – усилия в ходовой (ведущей) и неподвижной струнах талевого каната.

Задача кинематики - определение скоростей и ускорений подъемного механизма. При этом заданными являются высота подъема, кинематическая схема и размеры звеньев подъемного механизма, частота вращения и характеристика используемого двигателя.

При спуско-подъемных операциях высота подъема h несколько превышает длину бурильной свечи l, т. е. H . Это обусловлено возможностью установки бурильной колонны на клинья либо элеватор. При спуске бурильная колонна приподнимается для освобождения клиньев либо элеватора, поэтому перемещения при спусках и подъемах бурильных свечей примерно одинаковые.

Изменения скорости за время подъема и спуска одной свечи изображаются тахограммой. Для подъемных механизмов характерна трехпериодная тахограмма подъема, имеющая трапецеидальную форму (рис. Х1.9)

Рис. Х1-.9. Тахограмма подъема

Динамика

Динамические нагрузки в подъемном механизме буровой установки возникают при СПО вследствие действия ускорения или замедления, а также упругих колебаний создавемых во время переходных процессов.

В процессе подъема динамические нагрузки зависят от пусковых св-в двигателей и упругости ситстемы, включающей силовые передачи, лебедку, талевый канат, вышку и колонну поднимаемых труб. При спуске зависят от снижения скорости, регулируемой вспомогательным и основным тормозами лебедки, а также от упругости талевого каната, вышки и колонны спускаемых труб.