Ремонт бурового верглюга

    ВВЕДЕНИЕ

 

      Одним из основных улов бурового оборудования является вертлюг. Этот элемент несет на себе наибольшую нагрузку в процессе бурения. От его надежности зависит безотказная работа всей буровой установки.

      Вертлюг является промежуточным звеном между  поступательно перемещающимся талевым блоком с крюком, буровым рукавом и вращающейся бурильной колонной, которая при помощи замковой резьбы соединена со стволом вертлюга. Для обеспечения подачи бурового раствора или газа перемешивающийся вертлюг соединён с напорной линией при помощи гибкого бурового рукава, один конец которого крепиться к отводу вертлюга, а второй – к стояку на высоте, несколько большей половины его длины.

    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 колонны соединяется 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 проворачивании бурильной колонны с целью предотвращения прихватов. 
 
 
 
 
 
 

1. КОНСТРУКЦИЯ, НАЗНАЧЕНИЕ И УСЛОВИЯ РАБОТЫ БУРОВОГО ВЕРТЛЮГА

 
 

1. Конструкция бурового вертлюга

 

      Вертлюги  имеют разнообразные конструкции. Основными элементами их является ствол, опоры и сальники. Вертлюги независимо от их конструктивного оформления состоят из двух основных групп деталей: невращающейся, подвешенной к подъемному крюку, и вращающейся, которая через ведущую штангу соединена с колонной бурильных труб.

      Основной  вращающейся его деталью является полый ствол, воспринимающий вес  колонны. Ствол, смонтированный в корпусе  на радиальных и опорных подшипниках, снабжен фланцем, передающим вес колонны через главный опорный подшипник на корпус и штроп. Опоры ствола фиксируют его положение в корпусе, препятствуют осевым вертикальным и радиальным перемещениям и обеспечивают устойчивое положение и лёгкость вращения.

      Вес корпуса вертлюга, осевые толчки и  удары от колонны снизу вверх  воспринимаются его вспомогательной опорой, устанавливаемой обычно над главной. Ствол вертлюга является ведомым узлом. При принятом в бурении нормальном направлении вращения бурильной колонны ствол и все детали, связанные с ним, во избежание самоотвинчивания имеют стандартные конические левые резьбы. Вертлюг снабжается тропом для подвески его на крюке. Штроп крепится к корпусу на осях и может поворачиваться на угол до 40º. Корпус имеет приливы, ограничивающие перемещение штропа и устанавливающие его в положение, удобное для захвата крюком, когда вертлюг с ведущей трубой находятся в шурфе.

      К крышке корпуса прикреплена горловина  – отвод, к которому присоединяется буровой рукав. Буровой раствор  поступает из рукава через патрубок в соединенную с ним напорную трубу, из которой он попадает в полость вращающегося ствола вертлюга. Зазор между отверстием в стволе и напорной трубой уплотняется напорным сальником, обеспечивающим герметичность при наибольших рабочих давлениях бурового раствора. Напорный сальник во время роторного бурения эксплуатируется в тяжёлых условиях, срок его службы значительно меньше, чем остальных деталей вертлюга, поэтому он выполняется быстросменным. 

 
 

      1 – ствол; 2, 8 – нижний и верхний  масляные сальники; 3 – корпус;  
4, 6 – подшипники радиальные нижний и верхний; 5 – опора главная;  
7 – опора вспомогательная; 9 – уплотнение быстросменное; 10 – соединение быстроразъемное; 11 – труба напорная; 12 – крышка; 13 – подвод;  
14 – штроп

      Рисунок 1 – Схема бурового вертлюга 

      Прочностную часть вертлюга изготавливают обтекаемой формы для обеспечения минимальных гидравлических потерь и минимального износа абразивными частицами, содержащимися в буровом растворе, который движется со скоростью до 6 м/с. Размеры и конструкция вертлюга выполняются с учётом обеспечения надежной смазки всех опор и отвода от них тепла. В верхней и нижней частях корпуса для уплотнения зазора между корпусом и вращающимся стволом устанавливают самоуплотняющиеся манжетные сальники, которые защищают внутреннюю полость корпуса с масляной ванной от попадания в них влаги снаружи и удерживают масло от вытекания.

      В вертлюгах есть устройства для заливки, спуска масла и контроля его уровня, а также отверстия для уравновешивания  давления, создающегося при нагреве в процессе работы с атмосферным. Все детали предохраняются от самоотвинчивания.

      Типоразмер  вертлюга определяется динамической нагрузкой, которую он может воспринимать в  процессе вращения колонны 114-мм труб с  учётом глубины скважины. Вертлюги также характеризуются допустимыми  статической нагрузкой и частотой вращения, предельным рабочим давлением прокачиваемого бурового раствора, массой и габаритными размерами.

      Размерным рядом установлена номинальная  динамическая нагрузка: 0,5; 0,8; 1,0; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; и 3,0 МН для бурильных труб диаметром 60 – 140 мм. Каждый вертлюг рассчитывается для применения с бурильными трубами двух – трёх размеров.

      Конструкция вертлюгов должна быть прочной, чтобы  выдерживать наибольшие нагрузки, действующие  на основные рабочие элементы и подшипниковые  узлы. Главный опорный подшипник воспринимает небольшие статические нагрузки и обеспечивает длительную работу на всех режимах. Конструктивные формы деталей просты, технологичны и обеспечивают прочность и простоту сборки. Вертлюги должны быть приспособлены к транспортировке любимы транспортными средствами без упаковки. 
 

      Существует  три типа вертлюгов:

      - вертлюг буровой;

      - вертлюг эксплуатационный;

      - вертлюг промывочный. 
 

      1.2 Назначение и условия работы вертлюгов 

      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 колонны соединяется с помощью резьбы с вращающимся стволом вертлюга, снабженным проходным отверстием для бурового раствора. Во время спускоподъёмных 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.

      Кроме перечисленных выше функций, вертлюги также используются при промывке скважины и доливе в нее раствора во время подъёма бурильных колонн с обратным клапаном. В легких передвижных установках с устройством для принудительной подачи долота нагрузка на долото передается также через вертлюг.

      Буровой вертлюг обеспечивает свободное  вращение подвешенной к стволу бурильной колонны и одновременную подачу в нее бурового раствора. С помощью бронированного шланга высокого давления вертлюг обеспечивает гидравлическое соединение неподвижного стояка манифольда с вращающейся колонной бурильных труб.

      Вертлюги, применяемые в бурении эксплуатационных и глубоких разведочных скважин, имеют общую конструктивную схему и различаются в основном по допускаемой осевой нагрузке. Конструктивные отличия некоторых узлов и деталей отечественных и зарубежных вертлюгов обусловлены требованиями изготовления и сборки, разрабатываемой с учетом производственных возможностей заводов-изготовителей, а также периодической модернизацией вертлюгов с целью повышения их надежности и долговечности.

      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 используются самоуплотняющиеся радиальные 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.

      Стакан  вращается вместе со стволом, и радиальные манжеты скользят относительно напорной трубы, удерживаемой силой трения в  верхней манжете 8. 

 

      1,3 – гайки накидные, 2 – стакан, 4 – отвод, 5 – втулка; 6, 8, 10, 13 – уплотнения манжетные; 7 – втулка кольцевая; 9 – труба напорная; 11, 12 – кольца металлические; 14 – ствол; 15 – пресс – маслёнка 

      Рисунок 2 – Быстросъемное уплотнение 
 

      Скольжение  вызывает износ контактируемых поверхностей, ускоряемый абразивным воздействием промывочного раствора. Поэтому нижнее уплотнение напорной 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 сталей марок 12ХН2А, 20ХНЗА и др. Наружная поверхность напорных труб шлифуется и имеет твердость НКС 56-62.

      Для предотвращения утечки масла из масляной ванны вертлюга в нижней крышке его  корпуса установлены две манжеты 4, как показано на рисунке 3. Манжеты прилегают к втулке 3, служащей для фиксации внутренней обоймы радиального подшипника I 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 со 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.

 
 

      1 — радиальный подшипник; 2 — кольцо уплотнительное; 3 — втулка;

4 - манжеты; 5 - болт; 6 - шайба; 7 - масленка 

      Рисунок 3 — Уплотнение масляной ванны