Буровой ротор. Назначение конструкция и классификация

Буровой ротор. Назначение конструкция и классификация

Ротор является одним из важнейших узлов установок для бурения скважин на нефть и газ. Ротор применяется на установках грузоподъемностью от 10 до 500 тонн, позволяющие бурить скважины глубиной от 100 до 15000 м.

Роторы буровой установки предназначены для передачи вращения буровому инструменту при роторном бурении, периодическом проворачивания инструмента при бурении забойными двигателями, а также для удержания колонны бурильных и обсадных труб при спуско-подъёмных операциях. Ротор является редуктором, передающим вращение вертикально подвешенной колонне бурильных труб от горизонтального вала трансмиссий.

Роторы относят к числу основных механизмов буровой установки. Их различают по диаметру проходного отверстия, мощности и допускаемой статической нагрузке. По конструктивному исполнению роторы делят на неподвижные и перемещающиеся возвратно-поступательно относительно устья скважины в вертикальном направлении.

Привод ротора осуществляется посредством цепных, карданных и зуб­чатых передач от буровой лебедки, коробки передач либо индивидуального двигателя. В зависимости от привода роторы имеют ступенчатое, непрерывно-ступенчатое и непрерывное изменение скоростей и моментов вра­щения. Для восприятия реактивного крутящего момента их снабжают сто­порными устройствами, устанавливаемыми на быстроходном валу либо на столе ротора. Подвижные детали смазываются разбрызгиванием и прину­дительным способом. Поставляют роторы в двух исполнениях – с пневма­тическим клиновым захватом (ПКР) для удержания труб и без него.

Конструкции буровых роторов

В буровых установках для эксплуатационного и глубокого раз­ведочного бурения используют роторы, неподвижно устанавливаемые над устьем скважины. Типовая конструкция ротора (рис. 3) состоит из ста­нины 9 и стола 2, приводимого во вращение от быстроходного вала 7 с по­мощью конических шестерни 10 и колеса 6. Межосевой угол передачи со­ставляет 90°.

Станину ротора в большинстве случаев выполняют литой из конст­рукционных нелегированных сталей. Форма и ее геометрические размеры определяются конструктивными, эксплуатационными, технологическими и эстетическими требованиями. В станине имеются горизонтальная и верти­кальная расточки для размещения быстроходного вала и стола ротора.

Стол 2 ротора представляет собой полую стальную отливку с наруж­ным диском, прикрывающим вертикальную расточку станины. В верхней части он имеет квадратное углубление для разъемного вкладыша (втулки) 4. В свою очередь, вкладыши имеют квадратное углубление для зажима 5, пе­реходящее в конус. При бурении во вкладыши вставляют квадратные либо роликовые зажимы ведущей трубы, а при спускоподъемных операциях – клинья, удерживающие колонну труб над ротором. Разъемная конструкция вкладышей и зажимов обеспечивает их установку в ротор в тех случаях, когда его отверстие занято трубой. Втулки и зажимы удерживаются в ро­торе с помощью поворотных защелок. Между зажимом и ведущей трубой возникает трение скольжения, вызывающее изнашивание поверхностей их контакта. При использовании роликовых зажимов ведущая труба перека­тывается по роликам, установленным на подшипниках качения, и благодаря этому ее износ снижается.

Стол ротора с напрессованным коническим колесом устанавливают в вертикальной расточке станины на основной 3 и вспомогательной 12 опо­рах. В качестве опор используют упорно-радиальные шариковые подшип­ники, которые вследствие зеркального расположения и осевой затяжки способны воспринимать двусторонние осевые нагрузки.

На основную опору действуют собственный вес стола ротора и колон­ны труб, удерживаемый им при спускоподъемных операциях. В процессе бурения скважины бурильная колонна подвешивается к вертлюгу, и на ос­новную опору действуют собственный вес стола и силы трения, возни­кающие в результате скольжения ведущей трубы относительно зажимов 5 ротора.

Рис. 3. Буровой ротор УР-560

Подшипники и стол ротора вращаются при роторном бурении и остаются в основном неподвижными при спускоподъемных операциях и бурении забойными двигателями, если не учитывать их вращения при пе­риодическом проворачивании бурильной колонны.

Быстроходный вал с конической шестерней, закрепленной шпонкой, монтируют в стакане 8 и в собранном виде устанавливают в горизонталь­ную расточку станины. Стакан предохраняет станину от вмятин, образую­щихся при установке подшипников и их проворачивании под нагрузкой. Консольное расположение шестерни на быстроходном валу удобно для компоновки и сборки ротора. Однако при этом возрастают требования к жесткости вала, так как вследствие его деформации нарушается равномер­ное распределение контактных давлений в зацеплении шестерни и колеса, что приводит к снижению их долговечности.

С этих позиций шестерню лучше располагать между двумя опорами. Однако, учитывая удобство монтажа и ремонта, быстроходные валы во всех конструкциях роторов изготовляют с консольным расположением шестерни. При этом снижается изгибающий момент, так как шестерня максимально приближена к опоре вала. На наружном конце быстроходного вала установлена цепная звездочка 14 либо карданная муфта. Для безопас­ности и удобства обслуживания ротор закрывают крышкой 1.

При бурении с использованием забойных двигателей стол ротора стопорится и благодаря этому предотвращается вращение бурильной колонны под действием реактивного крутящего момента. Стопорение осуществляет­ся фиксатором, который входит в радиальные пазы диска стола ротора.

В роторе, изображенном на рис. 4, на быстроходном валу установ­лено колесо 14 с пазами для зацепления со стопором 13, передвигающимся в направляющих втулках станины посредством рукоятки 11. Последняя со­единяется с валиком 12, имеющим шестеренку, которая входит в зацепле­ние с зубьями стопора. Шестеренка удерживает стопор от вращения, а ру­коятка 11 фиксирует его крайние положения. Благодаря установке стопор­ного устройства на быстроходном валу крутящий момент, действующий на стопорное устройство, уменьшается. Однако коническая передача и под­шипники ротора воспринимают действие реактивного момента, что приво­дит к снижению срока их службы.

Подшипники быстроходного вала смазывают жидким маслом, заправ­ляемым в стакан через заливные отверстия. Уровень масла при заправке и эксплуатации контролируют с помощью жезлового маслоуказателя 7. Для предотвращения вытекания масла наружная торцовая крышка стакана снабжена гребенчатым лабиринтным уплотнением. Внутренний торец ста­кана имеет крышку с отражательным диском, предохраняющим масло от загрязнения промывочным раствором и продуктами изнашивания, попа­дающими в смежную масляную ванну, которую используют для смазыва­ния конической передачи и подшипников стола ротора.

Рис. 4. Буровой ротор УР-760

Рис. 5. Быстроходный вал ротора в сборе

В роторе, представленном на рис. 4, применяют циркуляционную систему смазывания подшипников и зубчатой пары с помощью плунжер­ного насоса 16, приводимого от эксцентричной втулки 15 на быстроходном валу 9. Насос забирает масло из маслоотстойника А в станине ротора и по трубкам 5 через кран 17 подает его на верхний подшипник 4. Часть масла стекает на зубчатый венец и смазывает зубчатую пару, а другая часть про­ходит по каналам и поступает на нижний подшипник 10, с которого стека­ет в масляную ванну.

В роторе УР-760 используют стол сборной конструкции, состоящий из полой втулки 1, соединяемой с диском 3 болтами 2 с потайной головкой. Взамен стакана используют переходные гильзы 6 и 8.

Быстроходный вал 6 (см. рис. 5) монтируют в стакане 7 на спарен­ных радиально-упорных конических роликоподшипниках 5, расположен­ных со стороны шестерни 1, и на радиальном роликовом подшипнике 9, установленном на противоположном конце вала. Зеркальное расположение конических подшипников обеспечивает точную двустороннюю фиксацию вала, необходимую для надежной и бесшумной работы передачи. Ролико­вый подшипник – плавающий, он обеспечивает осевое перемещение вала при тепловой деформации.

В фиксирующей опоре внутренние кольца подшипников закреплены между заплечиком вала и маслоразбрызгивающим кольцом 4, которое упи­рается в торец шестерни. Наружные кольца подшипников 5 и 9 закрепле­ны между внутренним 3 и наружным 11 фланцами стакана с помощью ме­таллических прокладок и дистанционной втулки 8. Внутреннее кольцо ро­ликового подшипника крепится между заплечиком вала и кольцом 10, затя­нутым торцовым фланцем 16 через промежуточные детали 13–15 и дис­танционное кольцо 17.

Осевые зазоры подшипников регулируются дистанционным втулками 8, 14 и с помощью набора металлических прокладок 18, установленных ме­жду стаканом и его фланцами. Осевой зазор подшипников, контролируе­мый по осевому смещению вала относительно стакана, должен быть в пре­делах, устраняющих защемление и обеспечивающих равномерное распре­деление нагрузки между роликами.

Надежная и бесшумная работа конической пары обеспечивается при правильном контакте зубьев, достигаемом совмещением вершин начальных конусов колеса 2 и шестерни 1. Зацепление регулируют путем изменения осевого положения шестерни с помощью металлических прокладок 18, вы­полненных в виде полуколец с прорезями для болтов. Благодаря этому про­кладки устанавливают без разработки уплотняемых деталей путем незначи­тельного отвинчивания болтов 12, достаточного для прохода прокладок. Правильность регулировки зацепления обычно контролируют по пятну контакта зубьев. При сборке роторов пользуются менее точным, но более простым способом контроля – по плавности вращения стола ротора при проворачивании быстроходного вала усилием рук рабочего.

Роликовый зажим (рис. 6) состоит из корпуса 2 и откидной скобы 3.

Изучение конструкции роторов буровой установки. Изучение использования ротора при бурении и при выполнении вспомогательных операций

Изучение конструкции роторов. Изучение использования ротора при бурении и при выполнении вспомогательных операций. Проверка смазки и монтажа ротора. Определение передаточного отношения ротора и коробки перемены передач.

Рисунок 1 – Лабораторная установка — Ротор УРБ-3АМ

2. НАЗНАЧЕНИЕ РОТОРА.

Ротор буровой установки имеет следующее назначение.

2.1. Передача мощности долоту вращения колонна бурильных труб в процессе бурения, проворачивание бурильного инструмента при ловильных работах и ориентированном спуске.

2.2. Восприятие реактивного момента при бурений забойными двигателями.

2.3. Удержание на весу колонны бурильных и обсадных труб.

2.4. Отвинчивание свечей при подъеме колонны труб.

2.5. Отворот и закрепление долот.

3. КОНСТРУКЦИЯ РОТОРОВ

Рисунок 2-Буровой ротор:

1— станина; 2, 3 —опоры вспомогательная и главная; 4 —колесо зубчатое коническое; 5 — стол ротора; в — вкладыш; 7 — крышка; 8, 9 —подшипники радиальный и упорно-радиальный; 10 —вал ведущий быстроходный; 11 —шестерня ведущая коническая- 12 —картер; 13 —втулка

Ротор (рисунок 2) представляет собой угловой редуктор с конической зубчатой передачей, служащей для передачи вра­щения под углом, изменяя его с горизонтального на вертикаль­ное, и для снижения частоты вращения. Ведомое коническое колесо передачи смонтировано на втулке, соединенной со сто­лом ротора, в центре которого находится вертикальное отвер­стие для пропуска колонны. Диаметр отверстия стола ротора зависит от диаметра долота или обсадных труб, пропускаемых через него.

Во время бурения вращение и крутящий момент передаются ведущей трубе через вкладыши и зажимы, устанавливаемые в конусную расточку втулки, вмонтированной в стол ротора. При спуско-подъемных операциях в отверстие стола ротора устанавливают клиновые захваты, управляемые пневматически или вручную.

Стол ротора, соединенный с втулкой, укрепляется на двух опорах — главной и вспомогательной. Диаметр стола зависит от типоразмера ротора и устанавливаемых на него клиновых захватов и других элементов. Диаметр ротора 500—2000 мм. Для удобства работ часть стола ротора сверху закрывают не­подвижной крышкой.

Главная опора воспринимает динамические циклически дей­ствующие нагрузки — радиальную от передаваемого крутящего момента и осевые от трения ведущей трубы о вкладыши ро­тора при подаче колонн и от веса стола ротора, а также стати­ческую осевую нагрузку, создаваемую весом колонны при ее установке на стол ротора.

Вспомогательная опора стола ротора служит для восприятия радиальных нагрузок от зубчатой передачи и осевых ударов вверх при бурении или подъеме бурильной колонны.

Ведущий горизонтальный вал с конической шестерней вра­щается на подшипниках качения, один из которых испытывает действие только радиальных нагрузок, второй — радиальных и осевых от конической передачи и фиксирует вал от осевых смещений. От силового привода вращение передается ведущему валу ротора карданным валом или цепной передачей. Муфта для соединения ведущего вала ротора с карданным валом при­вода или цепной звездочкой монтируется на его конце.

Для предохранения бурильной колонны от проворачивания во время бурения забойными двигателями или при свинчивании бурильных труб стол ротора должен фиксироваться стопором.

Большинство роторов изготовляется с приводом стола непо­средственно конической зубчатой передачей по схемам, приве­денным на рисунке 3.

Полый вал-втулка стола ротора монтируется на двух опо­рах. В главной опоре, воспринимающей осевую статическую и рабочую нагрузки, применяют радиально-упорные шариковые или реже конические подшипники качения. Во вспомогательной опоре применяют либо упорно-радиальные подшипники качения, либо подшипники скольжения с упорным буртом.

На рисунке 3, а приведена конструктивная схема ротора, в которой коническое ведомое колесо привода стола располо­жено между двумя шариковыми упорно-радиальными опорами, что увеличивает базу и устойчивость конструкции. Главная опора — нижняя, вспомогательная — верхняя. Ведущий вал ро­тора смонтирован на двух сферических роликоподшипниках. Осевые нагрузки воспринимает опора, находящаяся около звез­дочки, нагруженная меньшими радиальными нагрузками, чем опора у шестерни.

Роторы

Роторы предназначены для вращения вертикально подвешен­ной бурильной колонны с частотой 30-300 об/мин при роторном бурении или восприятия реактивного крутящего момента при бурении забойными двигателями. Они служат также для поддер­жания на весу колонн бурильных или обсадных труб, устанавли­ваемых на его столе на элеваторе или клиньях. Роторы также ис­пользуются при отвинчивании и свинчивании труб в процессе СПО, ловильных и аварийных работ. Ротор представляет собой как бы конический зубчатый редуктор, ведомое коническое коле­со которого насажено на втулку, соединенную со столом. Верти­кальная ось стола расположена по оси скважины.

На рис. V.1 показана схема ротора. Стол 5 имеет отверстие диаметром 250-1260 мм в зависимости от типоразмера ротора. В отверстие стола устанавливают вкладыши 7 и зажимы ведущей трубы 6, через которые передается крутящий момент. Большое коническое колесо 4 передает вращение столу ротора, укреплен­ному на основной 3 и вспомогательной 2 опорах, смонтированных в корпусе 1, образующем одновременно масляную ванну для смаз­ки передачи и подшипников.

Сверху стол защищен оградой 8. Быстроходный ведущий вал 10 расположен горизонтально на подшипниках 11, воспринимаю­щих радиальные и горизонтальные нагрузки. Вал 10 приводится: во вращение от цепной звездочки 12 или с помощью вилки кар­данного вала, расположенной на конце вала. Ротор снабжен сто­пором 9, при включении которого вращение стола становится не­возможным. Фиксация стола ротора необходима при СПО и бу­рении забойными двигателями для восприятия реактивного момента.

Привод ротора в буровых установках с расположением ле­бедки на полу буровой осуществляется цепной трансмиссией от лебедки или от КПП карданной передачей, при установке лебед­ки ниже пола буровой — дополнительной трансмиссией от лебед­ки или индивидуальным приводом от электродвигателя постоян­ного тока (рис. V.2), располагаемой под полом буровой. Такая конструкция обеспечивает свободное пространство для работы персонала буровой бригады.

КОНСТРУКЦИИ РОТОРОВ И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Ротор Р-560 (рис. V.3) состоит из следующих основных сбо­рок и элементов. Станина 7- основной элемент ротора. Обычно она представляет собой стальную отливку коробчатой формы, внутри которой смонтированы основные сборки и детали. Внут­ренняя полая часть станины — масляная ванна для смазки кони­ческой зубчатой пары и подшипников опор стола ротора и при­водного вала.

Стол ротора 2 — основная вращающаяся часть, приводящая во вращение через разъемные вкладыши 4 и зажимы 5 ведущую трубу и соединенную с ней спущенную в скважину бурильную колонну. Стол ротора монтируется на двух шаровых опорах — главной 3 и вспомогательной 8. Главная опора 3 воспринимает динамические циклически действующие нагрузки — радиальную от передаваемого крутящего момента и осевые от трения ведущей трубы о зажимы 5 ротора при подаче колонны и от веса стола ротора, а также статическую нагрузку от веса колонн труб и дру­гих элементов при установке их на стол ротора.

Вспомогательная опора 8 стола служит для восприятия ради­альных нагрузок от зубчатой передачи и осевых ударов при бу­рении или подъеме колонны. Периферийный зазор между стани­ной 7 и столом 2 ротора выполнен в виде лабиринта, предупре­ждающего проникновение бурового раствора и грязи внутрь ста­нины и выбрасывание смазки из ротора при вращении стола. Сверху стол ротора закрыт ограждением /, служащим для уста­новки на нем элеваторов и другого оборудования при СПО и за­щиты операторов.

Горизонтальный приводной вал 6 выполняется обычно в виде отдельной сборки, в которой вал с ведущей конической шестер­ней, насаженной на нем, монтируется на роликоподшипниках во втулке. Сдвоенный радиально-упорный подшипник, воспринимаю­щий радиальные и осевые нагрузки от зубчатой передачи, уста­навливается рядом с конической шестерней. Вторая опора вала — цилиндрический роликоподшипник. На внешнем конце вала мон­тируется либо цепная звездочка 9 при приводе ротора цепной передачей от лебедки, либо шарнир карданного вала.

Разъемные вкладыши 4, состоящие из двух половин, устанав­ливают в проходное отверстие ротора, верхняя часть которого снабжена квадратной выемкой. Верхняя часть вкладышей также имеет квадратную форму, в которую входят выступы верхней части зажимов 5 ведущей трубы или роликового зажима при бу­рении. При СПО в отверстие вкладышей вставляют конусную втулку для клинового захвата. При бурении зажимы 5 или роли­ковые зажимы закрепляют болтами, оставляют на ведущей трубе и вместе с ней отпускают в отверстие вкладышей 4.

Стопорное устройство 10 служит для фиксации стола ротора. Рукоятка управления стопорным устройством расположена в углублении верхней ограды ротора. В углублении она защищена от повреждений и, кроме того, не мешает работать. При перево­де рукоятки в рабочее положение выдвигается упор, входящий в одну из специальных прорезей на наружной поверхности стола, и препятствует вращению.

Для облегчения труда рабочих и ускорения СПО роторы комп­лектуют пневматическими клиновыми захватами, для чего на роторе предусмотрен кронштейн, к которому присоединяется ме­ханизм подъема и опускания в отверстие ротора клиньев.

Диаметр отверстия в столе ротора и максимальная статиче­ская нагрузка на стол ротора -основные классификационные параметры. Они определяют максимальный диаметр долота и максимальные диаметр и вес обсадной колонны, которая может быть спущена в скважину.

Основные характеристики роторов приведены в табл. V.I.

Для обеспечения взаимозаменяемости внутренние размеры роторов и вкладышей и наружные размеры вкладышей стандар­тизованы. Также стандартизованы длина и диаметр конца при­водного вала ротора и расстояние от оси отверстия стола до плос­кости первого ряда зубьев приводной звездочки, обеспечивающее возможность применения ротора на любой буровой установке.

Роторы

Ротор нужен для осуществления вращения бурильной колонны (подвешенной), он также необходим при бурении забойными двигателями (с его помощью осуществляется восприятие реактивного крутящего момента) и при проворачивании инструмента в ходе ловильных работ. Роторы также эффективны при поддержании обсадных труб или бурильных колонн на весу.

Роторы выглядят как конический редуктор с зубцами. Коническое колесо аппарата соединено со столом и насажено на втулку, а ось стола расположена по оси скважины. Ротор так же используют для свинчивания и развинчивания труб.

Ротор — один из основных механизмов буровой установки, поэтому существует несколько его классификаций.

Роторы могут различаться по диаметру проходного отверстия, по мощности и по допускаемой статистической нагрузке

Известна классификация по конструкторской характеристике : роторы неподвижные и перемещающиеся возвратно-поступательно относительно устья скважины. Перемещение происходит в вертикальном направлении.

Важнейшая технологическая компонента ротора — привод.
Привод может запускаться посредством:

цепных, карданных и зубчатых передач от буровой лебедки
индивидуального двигателя
коробки смены передач

Привод ротора обусловливает различное изменение скоростей и моментов вращения.
Оно может быть:

ступенчатым
непрерывно-ступенчатым
непрерывным

В буровых установках привод ротора управляется с помощью цепной трансмиссии от лебедки или КПП карданной передачи. При установке лебедки ниже пола буровой управление осуществляется дополнительной трансмиссией от лебедки.

Состав роторной установки:

Ротор состоит из станины с расточкой для стакана со смонтированным приводным валом. На столе и станине ротора расположены кольцевые проточки. Они образуют лабиринтные уплотнения для защиты масляной ванны от попадания в нее раствора. В станине так же установлен упорный подшипник, а снизу — вспомогательный подшипник. Вспомогательный подшипник ротора предназначен для центрирования стола ротора и восприятия направленных вверх нагрузок. Снизу установлено специальное лабиринтное колесо, предохраняющее попадание раствора в масляную ванну.

В табл. 30 приведена техническая характеристика роторов, изготавливаемых ВЗБТ и ПО «Уралмаш».

На рисунке показан ротор Р-560.

На сегодняшний день активно эксплуатируются следующие модификации роторов ПО «Уралмаш»: Р-700, Р-950 и Р-1260

Для них характерны следующие конструкторские новшества:

надежное лабиринтное уплотнение масляной ванны (это повышает эксплуатационный срок зубцов ротора и основной опоры стола)

стопорное устройство способно фиксировать стол (это также это повышает эксплуатационный срок зубцов ротора, продлевает срок службы опор)

зубчатые колеса характеризуются повышенной точностью и плавностью зацепления