Введение. 
Гидравлические системы буровых станков

С развитием комплексной механизации и автоматизации производственных процессов при бурении скважин использование гидропривода в буровых станках и установках находит всё более широкое применение. Это происходит благодаря существенным преимуществам гидравлического привода, таким как:

• — Бесступенчатое плавное регулирование скорости движения исполнительных органов бурового оборудования и развиваемых ими усилий;
• — Простота получения любого вида механического перемещения, плавность работы и лёгкость реверсирования исполнительных органов;
• — Получение больших усилий при ограниченных размерах исполнительных органов наряду с надёжной защитой последних от перегрузок за счёт ограничения максимального давления в гидросистеме;
• — Лёгкость управления исполнительными органами и обеспечения контроля над гидросистемой в процессе работы. Практически все современные буровые станки и установки колонкового и структурно-поискового бурения гидрофицированы, поэтому при изучении бурового оборудования большое внимание уделяется вопросам работы гидросистем.

Назначение и основные элементы гидравлической системы буровых станков и установок

Гидравлическая система буровой установки или станка представляет собой комплекс устройств, предназначенных для управления и приведения в действие исполнительных органов бурового оборудования рабочей жидкостью, нагнетаемой под давлением. Применение гидравлической системы позволяет упростить кинематику, повысить надежность работы оборудования, автоматизировать основные технологические операции при бурении.

Гидравлическая система буровой установки или станка включает:

• — маслостанцию (маслонасосы и маслобак);
• — аппаратуру управления, распределения и контроля;
• — маслопроводы, соединяющие элементы гидросистемы между собой;
• — исполнительные механизмы (в зависимости от комплектации): силовые гидроцилиндры и зажимные гидропатроны механизма подачи, гидроцилиндр перемещения станка, гидроцилиндры подъёма мачты, опорные домкраты шасси самоходной установки, гидромоторы вращателя и труборазворота. В гидроприводах буровых установок применяют объемные роторные (ротационные) маслонасосы: шестеренчатые и пластинчатые радиально-поршневые и аксиально-поршневые.

Часто используются пластинчатые маслонасосы в сдвоенном исполнении, состоящие из двух одинарных насосов, имеющих один приводной вал. Большинство установок укомплектовано также ручным маслонасосом, применяемым в случае выхода из строя штатного насосного оборудования. В качестве рабочей жидкости гидропривода обычно используется индустриальное масло марки И-20А ГОСТ 20 799–75. Аппаратура управления включает устройства для регулирования направления потока, количества и давления рабочей жидкости: золотники-распределители различных типов, дроссели, обратные клапаны, напорные золотники и предохранительные клапаны. Контроль давления осуществляется манометрами. Применяемые в буровых установках силовые гидроцилиндры вне зависимости от их назначения имеют сходную конструкцию. В буровых установках наибольшее распространение получили аксиальные гидромоторы роторно-поршневого типа. Конструктивно они выполняются либо с наклонным подшипником, либо с наклонным блоком цилиндров.

В станках колонкового бурения со шпиндельным вращателем и гидравлическим механизмом подачи зажимные патроны и гидроцилиндры подачи конструктивно являются составной частью вращателя станка. В состав вращателя входят верхний нормально замкнутый и нижний нормально разомкнутый пружинно-гидравлические гидропатроны и два гидроцилиндра подачи. Захват бурового снаряда верхним гидропатроном осуществляется усилием пружин, освобождение — при подаче масла в полость гидропатрона. Захват бурового снаряда нижним гидропатроном осуществляется при подаче масла в полость гидропатрона, освобождение — усилием возвратной пружины. Верхний гидропатрон закреплен на траверсе вращателя, соединенной со штоками двух гидроцилиндров подачи, которые закреплены в корпусе вращателя. Нижний гидропатрон закреплен на корпусе вращателя. Вращающиеся части гидропатронов закреплены на пустотелом шпинделе и закрыты кожухами. Верхний гидропатрон вместе с траверсой может осуществлять поступательное движение и передавать вращение буровому снаряду. Нижний гидропатрон может осуществлять только передачу вращения буровому снаряду.

Верхний гидропатрон состоит из вращающейся и невращающейся частей. В верхней части вращающегося пустотелого шпинделя имеются пазы, в которые вставлены кулачки (плашки), зажимающие бурильную трубу. Усилие кулачкам передается от пакета пружин (тарельчатых или витых) через наклонную поверхность вращающейся обоймы, надетой на шпиндель. Обойма через шарикоподшипник взаимодействует с невращающимся поршнем. Этот шарикоподшипник разделяет вращающиеся и невращающиеся части гидропатрона. Поршень гидропатрона помещен в кольцевую полость, образованную цилиндром и стаканом. Цилиндр и стакан закреплены на корпусе и не вращаются. Уплотнение между цилиндром и поршнем обеспечивается круглыми резиновыми кольцами.

При движении поршня в момент подачи масла в полость гидропатрона, одновременно перемещается и обойма, которая и отводит кулачки от бурильной трубы и сжимает пружины. После соединения полости гидропатрона со сливом пружины возвращают обойму и кулачки в исходное положение, и гидропатрон закрепляется. Нижний гидропатрон также состоит из вращающейся и невращающейся частей. В нижней части вращающейся приводной муфты шпинделя имеются пазы, в которые вставлены кулачки, взаимодействующие с обоймой также как и в верхнем гидропатроне. В разжатом положении кулачки удерживаются усилием пружин. При подаче масла в полость нижнего гидропатрона подвижный невращающийся цилиндр вместе с кожухом перемещается вверх, скользя по неподвижному стакану, и, взаимодействуя с обоймой через шарикоподшипник, разделяющий вращающуюся и невращающуюся части, перемещает её вверх. При движении обоймы вверх одновременно сжимается и возвратная пружина.

Обойма при движении скользит своими наклонными плоскостями по опорным поверхностям кулачков, сближая их и зажимая ими бурильную трубу. При снятии давления масла в гидропатро не обойма под действием усилия пружин перемещается в исходное положение. При движении обойма отводит кулачки от бурильной трубы и гидропатрон раскрепляется. Уплотнение элементов гидравлической части нижнего гидропатрона также осуществляется круглыми резиновыми кольцами. Верхний и нижний гидропатроны комплектуются одинаковыми кулачками (зажимными плашками), обеспечивающими зажим ведущей бурильной трубы. Гидросистемой буровых установок и станков в зависимости от их комплектации могут выполняться следующие операции технологического процесса бурения скважины:

• 1. Подъём, остановка и опускание шпинделя вращателя с буровым инструментом или без него в пределах рабочего хода цилиндров механизма подачи.
• 2. Подача бурового инструмента на забой при бурении с возможностью регулирования её как по осевой нагрузке, так и по скорости.
• 3. Определение веса бурового инструмента, установка осевой нагрузки на породоразрушающий инструмент и контроль за осевой нагрузкой в процессе бурения.
• 4. Расхаживание бурового снаряда в скважине в пределах хода шпинделя.
• 5. Раскрепление (закрепление) и перекрепление гидропатронов.
• 6. Перехват и автоперехват бурового снаряда с быстрым подъёмом раскрепленного гидропатрона.
• 7. Управление тормозом станка для стопорения барабана лебедки при подвешивании бурового снаряда на крюке талевого блока или при аварийном отключении электроэнергии.
• 8. Прямое и реверсивное вращение гидромотора вращателя.
• 9. Перемещение станка по раме к устью скважины или от скважины.
• 10. Прямое и реверсивное вращение гидромотора труборазворота для свинчивания и развинчивания бурильных труб.
• 11. Подъём и опускание буровой мачты.