Методы повышения эффективности разрабатываемых УР

 

Работоспособность вертлюга зависит от надежности уплотнений, применяемых в его подвижных и неподвижных соединениях. Наиболее ответственными являются уплотнения напорной трубы, которые служат для предотвращения утечки промывочной жидкости, нагнетаемой под высоким давлением. Для этой цели (рис. Ч1П.2) используются самоуплотняющиеся радиальпые 8, 10 и торцовые 6, 13 манжеты из синтетических материалов, обладающих достаточной упругостью и износостойкостью. Воротники манжет направлены навстречу действующему давлению и поэтому прижимаются к уплотняемым поверхностям с силой, пропорциональной давлению промывочной жидкости.

 

Стыкуемые торцы напорной трубы и отвода уплотняются радиальной 8 и торцовой 6 манжетами, установленными в канавках кольцевой втулки 7. Втулка с манжетами надеты на напорную трубу и плотно прижаты к отводу вертлюга посредством накидной гайки 3. Противоположный стык между нижним торцом напорной трубы и стволом вертлюга уплотняется четырьмя радиальными манжетами 10, разделенными металлическими кольцами 11, и торцовой манжетой 13. Радиальные манжеты установлены в стакане 2 и затянуты накидной гайкой 1, соединяющей стакан со стволом вертлюга.

 

 

 

На рис. VII.3. Вертлюг УВ-25

 

 

 

 

Стакан вращается вместе со стволом, и радиальные манжеты скользят относительно напорной трубы, удерживаемой силой трения в верхней манжете 8. Скольжение вызывает износ контактируемых поверхностей, ускоряемый абразивным воздействием промывочного раствора. Поэтому нижнее уплотнен иенапорной трубы в отличие от неподвижного верхнего имеет многорядную конструкцию, благодаря которой повышаются его надежность и долговечность. Стакан снабжен винтовой масленкой для периодической смазки манжет с целью уменьшения износа и нагрева уплотнения в результате трения.

 

Манжета 10, расположенная над смазочным отверстием в стакане, предотвращает утечку масла при шприцовке и предохраняет его от внешнего загрязнения. Торцовая манжета 13 вращается вместе со стволом вертлюга и кольцом 12 и остается неподвижной относительно стыкуемых поверхностей. Неточности, допущенные при изготовлении и сборке, компенсируются свободно плавающим положением напорной трубы. Напорные трубы изготовляются из низколегированных цементуемых сталей марок 12ХН2А, 20ХНЗА и др. Наружная поверхность напорных труб шлифуется и имеет твердость HRC 56—62.

 

Для предотвращения утечки масла из масляной ванны вертлюга в нижней крышке его корпуса установлены две манжеты 4 (рис.VII.5) . Манжеты прилегают к втулке 3, служащей для фиксации внутренней обоймы радиального подшипника 1 ствола вертлюга. Воротник манжеты прижимается к втулке с помощью кольцевой цилиндрической пружины, надетой на манжету. Во избежание проворота в крышке и для обеспечения герметичности манжета сажается в расточку крышки с натягом. Самоуплотняющиеся манжеты в данном случае неприемлемы из-за недостаточного давления в уплотняемой полости.

 

В осевом направлении манжета фиксируется шайбой 6, которая крепится к крышке болтами 5. Уплотнительное круглое кольцо 2 предотвращает просачивание масла между стволом вертлюга и втулкой. Для уменьшения трения в местах сопряжения с втулкой манжеты смазываются пластичным маслом через масленку 7. При заметном износе втулка заменяется новой. Аналогичные манжеты установлены между стволом и верхней крышкой корпуса вертлюга.

 

Плоские стыки между корпусом вертлюга и его крышками уплотняются листовыми прокладками из картона. Прокладка верхней крышки корпуса одновременно используется для регулирования осевого натяга вспомогательного упорного подшипника. Прокладка между крышкой и отводом вертлюга, работающая под давлением промывочной жидкости, изготовляется из прорезиненной ткани. Прокладки затягиваются болтами, используемыми для крепления стыкуемых деталей вертлюга.

На рис. VII.4. Быстросъемное соединение отвода и ствола вертлюга

На рис. VII.5. Уплотненин масляной ванны

 

В талевом механизме буровых установок, оснащенных комплексом АСП, вместо крюка используется автоматический элеватор. Соединение вертлюга с автоматическим элеватором осуществляется посредством устройства (рис.VII.6), состоящего из петлевых штропов 2, переходной скобы 3 и траверсы 5. Траверса надевается на штроп 7 вертлюга и соединяется с переходной скобой осью 4, закрепленной гайкой 9 и шплинтом 10.  Положение траверсы фиксируется рамками 6, закрепленными на штропе вертлюга хомутами 8.

Вертлюг подвешивается к талевому механизму с помощью штропов 2, соединяющих переходную скобу с автоматическим элеватором 1, установленным на талевом блоке. Для предохранения штропов от выпадения проушины автоматического элеватора и переходной скобы крепятся болтами. При установке вертлюга в шурф штропы вытаскивают и автоматический элеватор освобождается для выполнения спуско-подъемных операций.

 

На рис. VII.6. Подвеска вертлюга

 

 

4. Расчет деталей вертлюга

 

 

Детали, передающие вес бурильной колонны (штропы, пальцы, корпуса и др.), рассчитывают на статическую прочность аналогично деталям талевой системы. Ствол вертлюга рассчитывают на статическую прочность и выносливость, как элемент, подверженный действию циклических нагрузок.

 

Главная опора вертлюга рассчитывается по динамической грузоподъемности подшипника при действии приведенной эквивалентной нагрузки, под которой понимается условная постоянная нагрузка, обеспечивающая ту же долговечность, какую имеет подшипник при действии переменных во времени нагрузок.

 

При расчете подшипника сначала определяют эквивалентную расчетную нагрузку Pa действующую на главную опору вертлюга:

для упорных однорядных подшипников

Pa=Fafa                                                           

где Fa , — постоянная по величине и направлению осевая нагрузка, Н; fd=kтkбkкkэ— коэффициент динамического нагружения, учитывающий безопасность и надежность работы вертлюга; kт, — температурный коэффициент (kт, =1 при t = 100 'С); kб= 1,4  1,8 — коэффициент безопасности; kк, = 1 — кинематический коэффициент для упорных подшипников при осевой нагрузке; kэ,=0,6—: 0,7 — коэффициент эквивалентности нагрузки.

Динамическую нагрузку, действующую на ствол вертлюга в процессе бурения скважины при вращении колонны, можно

принять равной pвд

Fa = Pвд = (1-pр/pт) (∑qili+Gкi)- Pд + pрπd2b/4

где pр и pт,— плотности соответственно бурового раствора и материала труб бурильной колонны, кг/м3; qi; — вес 1 м труб с учетом веса высаженной части и замков, Н; li; — длина труб одинакoвoro веса, м; Gкi — вес прочих элементов, составляющих бурильную колонну, Н; Pд — расчетная нагрузка на долото, Н; pр— расчетное давление жидкости, Па; Н,dв — диаметр отверстия напорного сальника вертлюга, м. Тогда

Pa= Pвд kтkбkкkэ

для упорно-радиальных подшипников

Pa=(xFr+yFa) kтkбkкkэ, где Fa и Fr — постоянные по величине и направлению осевая и радиальная нагрузки соответственно, Н; x и y — коэффициенты соответственно радиальной и осевой динамических нагрузок.

 

Базовая долговечность подшипника (ресурс) — число оборотов

L10=(Ca/ Pa)p106

где Ca, — динамическая грузоподъемность, МН; Pa — степенной показатель, для шарикоподшипников p=3, для роликоподшипников р=3,33.

 

Долговечность подшипника (в ч)

Lh=106/60n(Ca/ Pa)p=L10/60n

(n — частота вращения, об/мин).

 

Базовая статическая грузоподъемность опоры вертлюга должна быть больше разрывной прочности Я, применяемых бурильных труб

Cоа=fsRт

где,',— коэффициент надежности подшипника при статическом нагружении.

 

Динамическая грузоподъемность Ca, и статическая грузоподъемность Cоа указаны в каталогах или технических условиях на подшипники.

 

 

 

5. 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   Gб.к, соответствующая весу бурильной колонны при частоте вращения 100 об/мин и ресурсе 3000 ч, определяется по формуле

Gб.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.

 

 

6. Эксплуатация вертлюгов

 

 

От правильной эксплуатации вертлюга во многом зависит длительность безотказной работы буровой установки в процессе бурения скважины.

 

Перед пуском вертлюга в эксплуатацию необходимо проверить:

• крепление рукава к отводу и отвода к крышке, крепление напорного сальника;
• состояние присоединительных резьб ствола вертлюга и предохранительного переводника; резьбы не должны иметь повреждений; легкость вращения ствола вертлюга, который должен вращаться от усилия, приложенного одним рабочим к ключу с плечом 1 м;
• уровень масла в корпусе и в случае необходимости долить в соответствии с инструкцией.

 

Новый вертлюг должен быть предварительно обкатан при небольшой нагрузке в течение 1 — 1,5 ч. При обкатке нагрузку следует повышать постепенно, пока оператор не убедится, что вертлюг работает исправно.

 

В период эксплуатации надо периодически проверять температуру корпуса вертлюга (на ощупь при спуске вертлюга) и состояние масла в корпусе. Если масло загрязнено и вертлюг нагревается выше 70'С, то масло следует слить, ванну корпуса промыть керосином или чистым веретенным маслом, нагретым до 80 — 100'С, после чего залить свежее масло и заправить консистентной смазкой. При пропуске масла нижним сальником надо зашприцевать консистентную смазку, если течь масла не прекратится, то сменить манжету сальника. При пропусках бурового раствора напорным сальником необходимо закачать консистентную смазку, остановив прокачку раствора, если течь не прекратится, заменить сальник исправным, который должен быть заранее подготовлен. При пропусках бурового раствора в присоединительных резьбах ствола и предохранительного переводника заменить переводник или вертлюг. Ежедневно проверять затяжку крепежных деталей.

 

Вертлюг необходимо смазывать в соответствии с заводской инструкцией.

 

В табл. 2 приведена примерная карта смазки вертлюга.

 

Общее состояние вертлюга и бурового рукава проверяют ежедневно. Если обнаруживают неисправность, ее необходимо немедленно устранить. При невозможности устранения неисправности буровой вертлюг направляют на ремонт, а рукав заменяют новым.

 

При транспортировке вертлюга отверстия в переводнике ствола и отводе должны быть закрыты пробками во избежание попадания внутрь отверстий грязи и посторонних предметов. Замковая резьба переводника должна быть защищена от повреждений предохранительным переводником.