На буровых установках морского бурения, используемых при разработке месторождений углеводородного сырья в акватории Северного моря, применяют силовые вертлюги (используются также другие названия этого механизма: верхний привод (Top Drive), верхний вращатель). Силовой вертлюг выполняет вращательные функции ротора и, кроме того, обладает рядом дополнительных возможностей.
Буровой вертлюг обычной конструкции представляет собой механизм, подвешенный к талевому блоку и передающий промывочную жидкость от гибкого подводящего шланга к колонне бурильных труб (КБТ), вращающейся с помощью механизма ротора.
Силовой вертлюг отличается от обычного наличием собственного привода для вращения КБТ. Общий вид силового вертлюга (в положении, соответствующем спуску — подъему КБТ) изображен на рис. 1.
Рис. Общий вид верхнего привода (силового вертлюга):
1— направляющие; 2— талевый блок; 3— балансирующее устройство; 4— интегрированное устройство вращателя; 5— устройство привода с электродвигателем (установлен сзади); 6— гибкий буровой шланг; 7— вспомогательный кабель-шланг; 8— штропы подвески элеватора; 9— элеватор; 10— рабочая площадка буровой установки; 11— верхняя муфта бурильной трубы; 12— узел соединения привода с верхней бурильной трубой
Интегрированное устройство вращателя 4 прикреплено с помощью цепной балансирующей подвески 3 к талевому блоку 2. В режиме спускоподъемных операций эта система движется вертикально по направляющим 1, причем ось системы совпадает с осью скважины. Приводное устройство 5 включает в себя электродвигатель и редуктор, возможен вариант конструкции с использованием гидропривода. Буровой раствор подводится к вертлюгу с помощью гибкого шланга 6. По вспомогательному гибкому кабель-шлангу 7 подается питание к электродвигателю, а также вода или чистый воздух для охлаждения двигателя. В процессе спускоподъемных операций к силовому вертлюгу с помощью штропа 8 подвешивается элеватор 9, который служит для захвата муфты верхней бурильной трубы 11. При бурении элеватор и штропы снимаются, верхний конец бурильной трубы привинчивается к соединительному устройству 12, которое является выходным валом вращателя. В качестве электропривода используется электродвигатель постоянного тока или асинхронный короткозамкнутый двигатель, управляемый от преобразователя частоты. При необходимости реверс осуществляется реверсированием двигателя. Реактивный момент, возникающий в процессе бурения, воспринимается направляющими.
Требования к электроприводу силового вертлюга, его механические характеристики и структура управления аналогичны электроприводу ротора. Электрооборудование силового вертлюга по возможности унифицируется с электрооборудованием других механизмов. Например, если применяется электродвигатель постоянного тока, то он выбирается той же серии, что и для других буровых механизмов, но вертикального исполнения.
Силовой вертлюг по сравнению с традиционным механизмом ротора имеет следующие преимущества:
1. Отпадает необходимость вращать КБТ ротором с помощью специальных вкладышей в роторе, образующих квадратное отверстие, и ведущей квадратной трубы, что упрощает и ускоряет подготовку бурильного инструмента к работе.
2. В связи с отсутствием квадратной трубы облегчаются и сокращаются по времени операции по наращиванию бурильных труб.
3. Благодаря постоянной готовности системы вращения КБТ уменьшается вероятность ее прихватов в скважине.
4. Улучшается возможность более точного ориентирования бурильного
инструмента по азимуту, что весьма важно при наклонном бурении.
5. Экономия времени при выполнении операции свинчивания и развинчивания бурильных труб.
6. Значительная экономия рабочего времени, так как работа осуществляется с секциями бурильных труб, причем каждая секция состоит из трех свечей. Секции монтируются заранее и хранятся вертикально в обойме, расположенной внутри буровой вышки.
Техническая характеристика электродвигателя HXR450LM8
Параметры | Частота, Гц | |||
0 | 50 | 53,6 | 100 | |
Номинальная мощность, кВт | 0 | 690 | 740 | 666 |
Номинальный ток, А | 810 | 810 | 820 | 750 |
Коэффициент мощности при номинальной | 0 | 0,74 | 0,78 | 0,77 |
Коэффициент мощности при 2/3 от номинальной нагрузки | 0 | 0,66 | 0,72 | 0,78 |
КПД при номинальной нагрузке, % |
| 95,9 | 95,7 | 96 |
КПД при 2/3 от номинальной нагрузки, % |
| 95,3 | 95,3 | 95,8 |
Частота вращения вала при номинальной нагрузке, об/мин | 0 | 747 | 800 | 1492 |
Номинальный момент, Н-м | 8830 | 8830 | 8830 | 4260 |
Перегрузочная способность в долях от номинальной нагрузки |
| 2,2 | 1,9 | 1,2 |
Момент инерции, кг-м2 | 51 |
|
|
|
Масса электродвигателя, кг | 5280 |
|
|
|
Из зарубежных компаний, выпускающих верхний привод, наиболее известными являются американская «Varco» и канадская «Canrig». Компания «Varco» выпускает несколько систем верхнего привода TDS (Top Drive Sistem), позволяющих выполнять операции как с бурильными, так и с обсадными трубами.
Техническая характеристика взрывозащищенного частотно-регулируемого асинхронного электродвигателя марки HXR450LM8 на напряжение 690 В производства компании АВВ, используемого в верхнем приводе типа TDS-7S, приведена в таблице.
Указанная система верхнего привода эксплуатируется на месторождениях норвежского сектора Северного моря.
Работы по созданию верхнего привода грузоподъемностью 500 т ведутся в ОАО «Уралмаш». Намечается разработка всей гаммы приводов для буровых установок ОАО «Уралмаш» с увязкой работы верхнего привода с комплексом автоматизации спускоподъемных операций АСП.
