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.

Рис. 6. Роликовый зажим

Лекция № 4