Расчет вертлюга

РАСЧЕТ ВЕРТЛЮГА

Содержание вертлюг бурение механизм нагрузка

• 1. Введение
• 1.1 Назначение и область применения
• 1.2 Классификация вертлюгов
• 1.3 Конструкция вертлюга
• 1.4 Основные параметры вертлюга
• 1.5 Методика расчета подшипников на долговечность
• 1.6 Выбор прототипа
• 2. Расчетная часть
• 2.1 Расчет конструкции скважины
• 2.2 Расчет бурильной колонны
• 2.3 Расчет максимальной нагрузки на крюке по методике ВНИИБТ
• 2.4 Расчет основной опоры вертлюга
• 2.5 Расчет ствола вертлюга
• 2.6 Расчет ствола вертлюга
• 2.7 Расчет штропа
• 3. Особенности эксплуатации
• 3.1 Подготовка к работе
• 3.2 Проверка технического состояния
• 3.3 Техническое обслуживание
• 3.4 Замена уплотнения
• 3.5 Смазка
• 3.6 Ремонт
• 4. Заключение
• Список используемой литературы
• Приложение

1. Введение

1.1 Назначение и область применения

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 левой 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 проворачиваний бурильной колонны ротором с целью предотвращения прихватов.

В процессе эксплуатации вертлюг испытывает статические осевые нагрузки от действия сил тяжести, сил трения и гидравлических усилий, а также динамические нагрузки, создаваемые продольными колебаниями долота и пульсацией промывочной жидкости. Детали вертлюга, контактирующие с раствором, подвергаются абразивному износу.

К вертлюгам предъявляются следующие основные требования:

— поперечные габариты не должны препятствовать его свободному перемещению вдоль вышки при наращивании бурильной колонны и операциях;

— быстроизнашиваемые узлы и детали должны быть удобными для быстрой замены в промысловых условиях;

— подвод и распределение масла должны обеспечить эффективную смазку и охлаждение трущихся деталей вертлюга;

— устройство для соединения с талевым блоком должно быть надежным и удобным для быстрого отвода и выноса вертлюга из шурфа.

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

Вертлюг — промежуточное звено, отделяющее вращающуюся и поступательно движущуюся бурильную колонну от перемещающихся только поступательно частей талевой системы и бурового рукава. Он состоит из корпуса с подвеской, воспринимающей нагрузки от веса бурильной колонны и передающей их на крюк подъемной системы. В корпусе вертлюга монтируются пята (подшипник качения), обеспечивающая свободное вращение подвешенной к стволу вертлюга бурильной колонны, а также уплотнительное устройство высокого давления, обеспечивающее ввод бурового раствора внутрь бурильной колонны.

Конструкции вертлюгов должны удовлетворять следующим требованиям:

— обеспечение прочности нагруженных деталей, исключающей возможность разрушения или пластических деформаций при действии максимальной нагрузки;

— долговечность и безотказность работы в процессе бурения скважины;

— герметичность уплотнения зазора между вращающимся стволом и неподвижным подводом, предотвращение утечки бурового раствора;

— герметичность зазоров между корпусом и вращающимся стволом вертлюга, предотвращение утечки масла из корпуса и его загрязнение извне в процессе работы, транспортировок и хранения.

Параметрами вертлюга являются:

— условный диапазон глубин бурения скважин, для которого предназначен данный типоразмер вертлюга;

— наибольшая статическая нагрузка на невращающийся ствол;

— длительная динамическая нагрузка на вращающийся ствол;

— наибольшее давление бурового раствора, при котором длительное время сохраняется герметичность уплотняющего устройства высокого давления;

— наибольшая допустимая частота вращения ствола;

— диаметр канала ствола для прохода бурового раствора;

— масса и габариты.

Вертлюги также характеризуются присоединительными размерами: диаметром штропа в сечении перегиба и размерами замковой резьбы ствола и соединительного патрубка бурового рукава.

Детали вертлюгов можно подразделить на две группы: невращающиеся, связанные с корпусом вертлюга, крюком и буровым рукавом; вращающиеся, связанные со стволом вертлюга и бурильной колонной.

На рис. 1.1 показано схематическое устройство вертлюга для бурения глубоких скважин. Основная вращающаяся деталь вертлюга — полый ствол, воспринимающий вес колонны. Ствол, смонтированный в корпусе на радиальных и упорных или радиально-упорных подшипниках качения, снабжен фланцем, передающим вес колонны через главный опорный подшипник на корпус и далее на штроп. Опоры ствола вертлюга фиксируют его положение в корпусе, препятствуя осевым вертикальным и радиальным перемещениям и обеспечивая его устойчивое положение при вращении. Вес корпуса вертлюга, толчки и удары от колонны снизу вверх воспринимаются вспомогательной осевой опорой, устанавливаемой обычно над главной.

Рис. 1.1. Вертлюг буровой:

/ — 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; // — труба напорная; 12 — крышка; 13 — подвод; 14 — штроп

Ствол вертлюга является ведомым элементом.

При принятом в бурении нормальном направлении вращения бурильной колонны (по часовой стрелке, если смотреть сверху на ротор) ствол и все связанные с ним детали во избежание самоотвинчивания имеют стандартные конические левые резьбы. Исключения составляют устройства, в которых совмещены вертлюг и ротор. Ствол такого вертлюга является ведущим элементом и имеет правую резьбу. Вертлюг имеет штроп для подвески его на крюках различной конструкции. Штроп крепится к корпусу на осях и должен иметь возможность поворачиваться на угол до 40°.

Корпус имеет приливы, которые исключают консольный монтаж осей штропа, ограничивают поворот и устанавливают его в положение, удобное для захвата крюком, когда вертлюг с ведущей трубой находятся в шурфе.

К верхней крышке корпуса прикреплен изогнутый патрубок-подвод с резьбой или фланцем, к которому присоединяется напорный буровой рукав. Напорный сальник во время роторного бурения эксплуатируется в тяжелых условиях, срок его службы значительно меньше срока службы остальных деталей вертлюга, поэтому сальник выполняется быстросменным.

Проточную часть вертлюга выполняют обтекаемой формы для обеспечения минимальных гидравлических потерь и износа абразивными частицами, содержащимися в буровом растворе движущемся со скоростью до 6 м/с. Размеры корпуса и конструкция вертлюга выполняются с учетом 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 и грязи извне и удерживают масло от вытекания из нее при вертикальном рабочем и горизонтальном нерабочем положении вертлюга во время транспортировки и хранения.

Вертлюги снабжаются устройствами для заливки, спуска и контроля уровня масла, а также сапунами с отверстиями для уравновешивания с атмосферным давления воздуха, создающегося внутри корпуса при нагреве в процессе работы. Корпуса выполняются обтекаемой формы для того, чтобы вертлюг не цеплялся за детали вышки при перемещениях. Детали предохраняются от самоотвинчивания.

Основные рабочие элементы и подшипниковые сборки, особенно главный опорный подшипник, воспринимающий наибольшие нагрузки, должны обеспечивать длительную работу на всех режимах. Конструктивно детали вертлюга должны быть технологичны и просты в сборке. Как и другое буровое оборудование, вертлюги должны быть приспособлены к транспортировке любыми транспортными средствами без упаковки.

Для уменьшения числа типоразмеров оборудования в отечественной и зарубежной практике бурения вертлюги классифицируют по допустимой нагрузке на ствол и глубине бурения. Для всего диапазона статических нагрузок и глубин бурения обычно применяют 6—8 классов вертлюгов по следующему ряду нагрузок: 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 3,2; 4,0; 6,3; 8,0 МН для глубин бурения 600—12 500 м.

Основная техническая характеристика некоторых вертлюгов приведена в табл. 1

Уменьшение числа классов вертлюгов в ряду по сравнению с числом классов буровых установок объясняется тем, что в процессе бурения вертлюг можно легко сменить и часто при бурении глубоких скважин применяют вертлюги двух-трех классов. В начале цикла бурения применяют вертлюг, рассчитанный на меньшую нагрузку, а по достижении определенной глубины скважины, когда вес бурильной колонны увеличится, используют вертлюг, рассчитанный на большую нагрузку.

вертлюг бурение максимальная нагрузка

Таблица 1.1Техническая характеристика вертлюгов

1.2 Классификация вертлюгов

1) По функциональной схеме:

· Обычные;

· Силовые (система верхнего привода).

2) По конструктивной схеме:

· Основная опора находится по одну сторону радиальных опор;

· Основная опора находится между двумя радиальными опорами.

3) По числу опор:

· С четырьмя опорами (основная, вспомогательная, две радиальных);

· С двумя, тремя опорами (упорный и радиальный подшипники объединены, используется для вертлюгов малой грузоподъемности).

4) По типу основной опоры качения:

· С шаровой опорой;

· С разрезными рольками;

· С роликовой конической опорой;

· Со сферической роликовой опорой.

5) По относительному расположению основной и вспомогательных опор:

· Вспомогательная опора сверху;

· Вспомогательная опора снизу (в этом случае лучше смазка вспомогательной опоры).

6) По типу закрепления напорной трубы:

· Закрепление на отводе (простота сборки, неудобства в обслуживании, т.к. схема неразборная, с одним сальником);

· Свободное (плавающего типа) — соединение со стволом или отводом (используется быстросъемный сальник с двумя уплотнениями).

7) По типу закрепления напорной трубы быстросъемного сальника:

· Фиксированное на отводе (тогда напорная труба всегда неподвижна);

· Попеременное на стволе и отводе (напорная труба может вращаться и быть неподвижной, переключение осуществляется специальным механизмом).

8) По конструкции нижнего масляного уплотнения:

· Манжеты располагаются в корпусе;

· Манжеты располагаются в крышке.

1.3 Конструкция вертлюга

Корпус вертлюга представляет собой пустотелую отливку сложной формы из малолегированной или углеродистой стали (35Л и др.), внутренняя полость которой разделена по высоте горизонтальной перемычкой, служащей опорной поверхностью основного упорного подшипника ствола и усиленной для жесткости вертикальными ребрами.

Конструкция опорных поверхностей подшипников в корпусе вертлюга должна исключать возможность нарушения ее перпендикулярности относительно оси ствола, так как это ведет к преждевременному износу основной опоры. Между стенками корпуса и опорной плитой предусматриваются каналы для обеспечения циркуляции смазки при вращении ствола.

На внешней поверхности корпуса в диаметральной плоскости размещаются два прилива, имеющие форму карманов с отверстиями для дренажа. В отверстиях стенок карманов монтируются две оси, шарнирно соединяющие корпус со штропом.

При конструировании корпуса весьма важно обеспечить максимально возможное расстояние между осью шарниров штропа и опорой, что позволяет достичь большой стабильности оси ствола при вращении и смещения центра массы вертлюга к нижней крышке. Такое решение снижает риск изгиба ведущей трубы при ее установке в шурф и подъеме из него. В некоторых вертлюгах к корпусу приваривают или укрепляют на болтах кронштейны с резиновыми амортизаторами, предохраняющими корпус от ударов штропов. Вертлюги с амортизаторами должны иметь несколько увеличенную ширину.

В некоторых вертлюгах корпус выполняют так, что всю нагрузку воспринимает только нижняя толстостенная тарелка, имеющая два симметричных отверстия для несущих болтов. Корпус в такой конструкции разгружен и служит монтажной базой и масляной ванной. Предварительная затяжка болтов до достижения напряженного состояния определенной интенсивности исключает деформации корпуса при нагружении ствола в процессе эксплуатации, что позволяет сохранить соосность расточек под подшипники и увеличивает межремонтный срок службы. В вертлюгах малой грузоподъемности штропов не применяют, при этом корпус на внешней поверхности снабжается отлитыми за одно целое с ним выступами с запорными защелками.

Вертлюг подвешивается на боковые рога подъемного крюка с помощью штропов элеваторов. Такая конструкция неудобна в эксплуатации, не уменьшает габаритов и массы вертлюга. Недостатком ее при эксплуатации является износ корпуса в зоне контакта со штропами подвески.

Корпуса вертлюгов при изготовлении должны подвергаться дефектоскопическому контролю. Внутренние литые поверхности корпуса покрываются маслостойкой краской для предохранения от коррозии.

Ствол вертлюга — наиболее нагруженная и ответственная деталь. На ствол действуют растягивающая сила, изгибающий момент и внутреннее давление. Ствол также подвержен усталостному и абразивно-эрозионному износу по внутренней поверхности канала и механическому износу в зоне контакта с уплотняющими кольцами.

Стволы изготовляются из конструкционных низколегированных улучшаемых сталей перлитного класса марок 40Х, 40ХН, 38ХГН, 338ХВА, 34ХМ1М по ГОСТ 4543–71 и др. Заготовки стволов получают свободной ковкой, причем грибовидный опорный фланец выполняется за одно целое со стволом. Ствол подвергается закалке с последующим отпуском до твердости 280— 320 НВ.

Снаружи и внутри ствол подвергается механической обработке, посадочные поверхности и переходные участки шлифуют. Наружные и внутренние поверхности канала должны быть соосны и иметь минимальную разностенность, а также жесткими для обеспечения равномерного распределения напряжений по сечениям. Биение посадочных шеек подшипников и неперпендикулярность плоскости опорного фланца к оси вращения ствола должны оговариваться допусками, величину которых рассчитывают или выбирают по нормам завода-изготовителя.

Диаметр канала ствола определяется скоростью потока промывочной жидкости; во избежание абразивного износа эта скорость не должна быть более 6 м/с. Канал ствола не должен иметь резких пережимов и расширений. Увеличение диаметра канала влечет за собой увеличение его наружного диаметра, что снижает долговечность уплотнительных устройств. Длину ствола выбирают с учетом возможности многократной нарезки изношенной левой внутренней замковой резьбы, выполняемой по ГОСТ 5286–75, служащей для соединения с ведущей трубой.

Для предохранения резьбы от износа применяют предохранительные переводники. Участки ствола, контактирующие с верхними и нижними уплотнительными манжетами, защищают от износа втулками или удлиненным внутренним кольцом подшипников. Поверхность втулок шлифуют и подвергают термообработке до твердости 45—50 HRC.

Штроп. Штропы вертлюгов изготовляют из низколегированных конструкционных сталей марок 40ХН, 40ХНМА, 38ХГН, ЗОХГСА и др. по ГОСТ 4543–71. Штропы изготовляют методом свободной ковки с высадкой и прошивкой проушин. Механической обработке подвергаются только отверстия и торцовые поверхности проушин.

Для получения равнопрочной конструкции диаметр штропа на наклонном прямолинейном участке обычно увеличивают в направлении к дуговой части с отношением наибольшего и наименьшего диаметров до 1,4. Изгибающий момент имеет максимум в сечении перегиба. Для обеспечения необходимой прочности и жесткости штропа с учетом износа его дуговая часть выполняется эллиптического сечения. В вертлюгах малой грузоподъемности штропы для упрощения изготовляют кругового сечения.

Штроп вертлюга изнашивается по отверстиям проушин и внутреннему радиусу дуговой части. Для защиты проушин от износа применяют сменные втулки. При проектировании диаметр штропа иногда увеличивают на 15—20% с учетом износа.

Опоры ствола вертлюга воспринимают нагрузки, обеспечивают свободное вращение ствола и его фиксацию от радиальных и осевых перемещений.

В качестве главной опоры в вертлюгах применяют подшипники упорные или упорно-радиальные (рис. 1.2.) в последнем случае ими воспринимаются также радиальные нагрузки и центрируется ствол в корпусе.

Для работы при высоких частотах вращения подшипники имеют массивные стальные или бронзовые сепараторы. Штампованные сепараторы и бессепараторные конструкции применяются редко.

Основные опоры вертлюгов являются элементами, лимитирующими их работоспособность. При эксплуатации они испытывают разнообразные повреждения: выкрашивание, отслаивание, усталостные трещины, осповидный износ на поверхностях тел качения и колец, образование подповерхностных трещин, приводящих к контактно-усталостным разрушениям Устранение проскальзывания тел качения по кольцам и снижение контактных напряжений уменьшают вероятность контактного окатывания и повышают долговечность основной опоры.

Лучшие из этих упорных подшипников — роликовые сферические с бочкообразными роликами (рис. 1.2, г), обеспечивающие более равномерное распределение нагрузки, в результате чего снижается износ внешних торцов роликов и колец подшипника.

Рис. 1,1.Подшипники главных опор вертлюгов

Однако вследствие сложности изготовления эти подшипники применяют весьма ограниченно. В обычных конических роликоподшипниках бурт кольца и торцы роликов сильно изнашиваются под действием центробежных сил, возникающих в роликах при вращении ствола.

В качестве основных опорных подшипников в вертлюгах, рассчитанных на большие нагрузки, чаще всего применяют роликовые подшипники с коническими роликами (рис. 1.2,б и в). Подшипники с цилиндрическими роликами (рис. 1.2, д) применяют реже, так как в упорных подшипниках ролики проскальзывают, что приводит к их износу и, как следствие, к ограничению частоты вращения ствола.

В вертлюгах установок, используемых для бурения скважин глубиной до 1500 м, главной опорой часто являются шариковые подшипники.

Упорно-радиальные подшипники (рис. 1.2, а) — одни из лучших для быстроходных вертлюгов, так как центробежные силы, действующие на шары, воспринимаются основной беговой дорожкой подшипника и не вызывают большого износа. Недостатки этих подшипников — относительно небольшая динамическая грузоподъемность и нарушение центровки ствола при износе, что ограничивает область их применения.

В табл. 1.2. приведены характеристики упорных подшипников главных опор вертлюгов.

Таблица 1.2 Характеристика роликовых упорных подшипников главных опор вертлюгов

Примечание. d_p— наименьший диаметр ролика, l — длина ролика.

При выборе подшипника качения для заданных условий эксплуатации должны учитываться следующие факторы:

· Величина и направление нагрузки, которая может быть радиальной (направленной перпендикулярно оси вала), осевой (вдоль оси) или комбинированной (сочетание радиальной нагрузки с осевой);

· Характер нагрузки (постоянная, переменная, вибрационная или ударная);

· Частота вращения одного или обоих колец (число оборотов в минуту);

· Необходимая долговечность (срок службы, выраженный в рабочих часах или в миллионах оборотов за весь рабочий ресурс);

· Среда, в которой работает подшипник (воздух, вакуум, вода, агрессивная жидкость, температура, запыленность и т. п.);

· Специфические требования к подшипниковому узлу.

Для вспомогательных опор вертлюгов обычно применяют упорные шариковые или роликовые подшипники.

Рис. 1.2 Конструкции вспомогательных упорных и радиальных опор ствола:1 — ствол; 2 — радиальный подшипник

В качестве радиальных опор используют однорядные радиальные роликоподшипники с короткими цилиндрическими, иногда и с игольчатыми роликами. Выбор того или иного радиального подшипника определяется конструктивными соображениями и возможностями использования стандартных подшипников. Весьма важен монтаж радиальных и вспомогательных подшипников. На рис. 1.3. показано несколько вариантов их размещения по высоте корпуса и его крышек.

На рис. 1.3., a приведена конструкция с неудачно решенным монтажом радиального и упорного вспомогательного подшипников, последний центрируется через промежуточную плиту, а радиальный — непосредственно в корпусе, что не обеспечивает их соосности. Внутреннее кольцо радиального подшипника прижимается гайкой, для чего на стволе вертлюга нарезана резьба. Подобное решение увеличивает число деталей, усложняет и удорожает конструкцию и снижает ее надежность.

На рис. 1.3., б и в показана более удачная конструкция с центровкой этих двух подшипников в одной и той же крышке корпуса, но в расточках разных диаметров, что также является недостатком, так как не гарантируется соосность расточек. Хотя подшипники центрируются в расточках разных диаметров, но выбран роликоподшипник с цилиндрическими роликами, т. е. ролик такого типа, в котором незначительная несоосность колец не сказывается на его долговечности.

Более удачный вариант крепления этих подшипников показан на рис. 1.3, г. Оба подшипника центрируются в расточке крышки одного диаметра и обеспечивают их соосность. Эти конструкции не только проще, но и обеспечивают лучшие условия работы ствола. В конструкциях (см. рис. 1.3., б, в и г) регулировка упорного подшипника осуществляется прокладками между крышкой и корпусом, что проще и лучше, чем гайкой, так как при этом заранее можно проконтролировать необходимый зазор в подшипнике и установить прокладку нужной толщины, а при фиксации гайкой подшипник может быть пережат, чего не следует допускать во избежание ускоренного износа, перегрева и заклинивания.

Уплотнительные устройства. В вертлюгах применяются уплотнительные устройства высокого и низкого давления. Разница в рабочем давлении и свойствах рабочей среды предопределяет отличия их конструктивного исполнения. Уплотнения высокого давления герметизируют зазор между неподвижным подводом и вращающимся стволом при прокачивании бурового раствора. По конструкции они подразделяются на две группы: бескорпусные и корпусные — быстросменные.

Бескорпусные сальники монтируются в расточенной части канала ствола. Прижатие уплотнительных манжет регулируется затяжкой нажимной гайки или пружины. Их конструкция не рассматривается, так как в современных вертлюгах они не применяются.

Рис. 1. 3. Уплотнение быстросменное.

Действие уплотняющих манжет:

а — последовательное; б — одновременное; /, 3 — гайки нажимные нижняя и верхняя; 2 — стакан; 4 -подвод; 5-втулка; 6,14- манжеты торцового уплотнения; 7-кольцо; 8, 10-манжеты радиального уплотнения, 9-труба; 11 — пресс-масленка; /2 —кольца дистанционные; 13 — грундбукса; /5 —ствол Основные недостатки этих уплотнений — малая долговечность и низкая ремонтопригодность, связанная с необходимостью отсоединения бурового рукава и демонтажа подвода для устранения отказов.

Быстросменные уплотнения монтируются во вращающемся корпусе, который крепится к стволу вертлюга на резьбе или болтами (рис. 1.4., a).

Быстросменное уплотнение вертлюга состоит из трех самоуплотняющихся манжет, расположенных во вращающемся корпусе, и короткой, легко сменяемой напорной трубы. Труба крепится к подводу быстроразъемным резьбовым соединением, корпус сальника — таким же соединением к верхней части ствола вертлюга, снабженной присоединительной резьбой. Корпус уплотняется резиновыми кольцами V-образного или круглого сечения.

Конструкция гаек обеспечивает быстрые демонтаж и монтаж уплотнения на вертлюге. Каждая эластичная самоуплотняющаяся манжета, уплотняющая зазор между корпусом и трубой, размещается в индивидуальной камере, образуемой дистанционными кольцами. Камеры ограничивают деформации манжет под действием давления раствора. Верхняя манжета служит для удержания консистентной смазки, периодически закачиваемой ручным насосом через пресс-масленку в манжетные камеры для снижения трения и износа. Это уплотнение надежно работает при рабочих давлениях до 35 МПа; испытательное давление 55 МПа.

На рис. 1.4., б показана неудачная конструкция быстросменного напорного сальника. В этой конструкции манжеты также размещены в отдельных камерах, но при затяжке гайки усилие затяжки передается через все манжеты. Под давлением p_1. Манжета h перемещается до тех пор, пока давление р₂ не уравняется с давлением p₁Манжета h зафиксирована и не может перемещаться, поэтому она уплотняет зазор под действием разности давлений p₃ и p₄. Таким, образом, манжета h подвергается воздействию основной разности давлений. В этом случае все три манжеты работают одновременно, как в многоманжетном сальнике (как бы параллельно), в результате чего срок службы такого сальника значительно меньше, чем в первом случае (см. рис. 1.4., а).

Следует учитывать, что применение большого числа манжет не увеличивает срок службы уплотнения, так как возможен перегрев вследствие плохого теплоотвода. Практикой установлено, что оптимальным является наличие трех рабочих манжет. При этом в зависимости от конструкции уплотнение осуществляется либо первой, либо последней манжетой, при выходе из строя которой начинает работать ближайшая к ней манжета, и т. д.

Здесь излишняя страховка вредна, так как чем больше поверхность соприкосновения, тем быстрее идет износ, а надежность не повышается. Манжеты изготовляются из маслостойких резин с твердостью по прибору ТИР 76—86, резиноасбестовых композиций или пластмасс полиуретановой группы.

Для изготовления напорных труб используют бесшовные трубные заготовки из низколегированных цементуемых конструкционных сталей по ГОСТ 4543–71 (например, марок 12ХН2А, 20ХНЗА и др.). Напорные трубы подвергают термохимической обработке для создания по наружной поверхности износостойкого слоя твердостью 56—62 HRC на глубину 1,5—Змм. В некоторых вертлюгах применяют трубы из конструкционных среднеуглеродистых сталей. Наружную поверхность напорных труб подвергают высокоточной механической обработке, для уменьшения шероховатости практикуется полирование или выглаживание роликами.

Долговечность напорного сальника зависит от давления уплотняемого раствора, его плотности, концентрации, абразивных частиц в нем и от частоты вращения ствола. Экспериментально установлено, что долговечность при давлении 16 МПа и плотности раствора 1200 кг/м³ находится в пределах от 3−10⁵ до 6−10⁵ оборотов при частоте вращения ствола 70—200 об/мин.

Сальники, удерживающие жидкую смазку в ванне корпуса вертлюга, имеют уплотняющие элементы — эластичные манжеты одностороннего действия. Уплотнительные кольца изготовляют из маслотеплостойких резин или пластмасс. Для повышения усилия обжатия применяют уплотняющие кольца с тороидальными пружинами. Между манжетами иногда устанавливают металлическое дистанционное кольцо для улучшения теплоотвода. Масляные сальники вертлюгов работают в относительно благоприятных условиях — при давлении, практически равном атмосферному. Скорость скольжения по уплотняемой поверхности обычно не превышает 3 м/с.

Смазка вертлюгов. Почти во всех современных вертлюгах применяется комбинированная смазка — барботажная жидким маслом или с размещением в масляной ванне главной опоры и подшипников, расположенных в нижней части вертлюга, и местная универсальной среднеплавкой смазкой подшипников и других элементов, расположенных в верхней части. Жидкая смазка заливается в картер вертлюга до определенного уровня, универсальная подается к местам смазки через пресс-масленки.

На долговечность вертлюга существенно влияют объем масляной ванны, уровень жидкой смазки в ней и форма внутренней полости корпуса. Объем масляной ванны V (в л) зависит от нагрузки Рв (в МН), на которую рассчитан вертлюг при вращении с частотой 100 об/мин: V=20Р_В.

На время транспортировки вертлюга сапун заменяют глухой пробкой. В нижней крышке корпуса следует предусматривать застойную зону, в которой собираются продукты износа. Для улавливания металлических частиц сливную пробку целесообразно оснащать магнитом. Рабочая температура масла?+80°C.

Для вертлюгов применяют индустриальные масла 12, 45 и 50. Смазка универсальная среднеплавкая УС-2 или УС-3 (ГОСТ 1033—79) применяется для шарнирных соединений штропа с корпусом напорного сальника высокого давления, верхнего и нижнего масляных сальников.

Вертлюги бурильные (ВБ)

Основные показатели вертлюгов бурильных ВБ

Вертлюги фирмы WIRTH GmbH

Таблица 1.3 Основные характеристики вертлюгов RSS

Рис. 1.6. Вертлюг RSS

Вертлюг эксплуатационный (ВЭ)

Рис. 1.74 Вертлюг ВЭ

Основные показатели вертлюгов ВЭ

Таблица 1.4 Основные показатели вертлюгов ШВ, ВБНМ

Таблица 1.5 Основные показатели вертлюгов Б1, М10, ВВ

При бурении скважин вертлюг обеспечивает возможность свободного вращения бурового инструмента с одновременным подводом промывочной жидкости в колонну бурильных труб.

Высокая динамическая грузоподъемность для такого класса вертлюгов обеспечивает его надежность при самых тяжелых режимах роторного бурения. Увеличенное проходное отверстие в стволе снижает гидравлические сопротивления при прокачке бурового раствора.

Увеличенная длина ствола вертлюга позволяет пятикратно нарезать новую резьбу взамен вышедшей из строя, тем самым, увеличивая срок его службы

Блок силового вертлюга БСВ-60

Предназначен для применения в качестве верхнего привода бурильного инструмента при капитальном ремонте скважин в районах с умеренным климатом при температуре окружающего воздуха от -40?. до +40?.

Таблица 1.6 Техническая характеристика силового вертлюга

1.4 Основные параметры вертлюга

Параметры вертлюга должны отвечать требованиям бурения и промывки скважин и одновременно соответствовать аналогичным параметрам подъёмного механизма и буровых насосов.

Допускаемая статическая нагрузка — постоянная осевая нагрузка, которую может выдержать вертлюг без разрушения при невращающемся стволе. Уровень осевых нагрузок, действующих на ствол вертлюга, зависит от глубины бурения и достигает наибольших значений при подъеме прихваченной бурильной колонны либо при расхаживании обсадной колонны с циркуляцией бурового раствора. При этом в целях безопасности наибольший уровень действующих нагрузок не должен превышать допускаемой нагрузки на крюке, принятой для буровой установки соответствующего класса. Поэтому допускаемая статическая нагрузка вертлюга должна быть не менее допускаемой нагрузки на крюке буровой установки.

Динамическая нагрузка установлена исходя из условия обеспечения расчетного ресурса основной опоры вертлюга при вращении с частотой 100 об/мин в течение 3000 ч. Основная опора вертлюга вращается с подвешенной к нему бурильной колонной, масса которой возрастает по мере углубления скважины и зависит от используемых труб. Согласно этому, динамическая нагрузка на вертлюг рассчитывается по наиболее тяжелой бурильной колонне, используемой при бурении скважин заданной глубины. Исходя из общепринятой методики расчета подшипников, динамическая нагрузка на вертлюг G_б.К соответствующая весу бурильной колонны при частоте вращения 100 об/мин и ресурсе 3000 ч, определяется по формуле

G_б.К = С/1,9,

где С — динамическая нагрузка на подшипник вертлюга, кН.

Максимальное давление прокачиваемой жидкости определяется, исходя из режима промывки скважины, и должно быть не менее наибольшего давления насосов, используемых в буровой установке соответствующего класса.

Диаметр проходного отверстия ствола оказывает двоякое воздействие на работу вертлюга. С его увеличением снижается скорость течения промывочной жидкости, поэтому уменьшаются гидравлические потери и износ внутренней поверхности ствола. Одновременно с диаметром проходного отверстия возрастает наружный диаметр ствола и в результате этого увеличивается скорость скольжения и износ ствола и его уплотнения. Поэтому чрезмерное увеличение проходного отверстия ствола нежелательно. На основе опыта конструирования и эксплуатации вертлюгов диаметр проходного отверстия ствола принимается равным 75 мм. Внутренний диаметр напорной трубы равен диаметру проходного отверстия ствола вертлюга. Частота вращения ствола вертлюга совпадает с частотой вращения стола ротора и изменяется в пределах 15—250 об/мин.

Высота штропа должна быть достаточной для соединения вертлюга с крюком талевого механизма.

1.5 Методика расчета подшипников на долговечность

Обычно под долговечностью (ресурсом) отдельного подшипника качения подразумевается количество оборотов, которое одно из колец подшипника совершает относительно другого кольца до появления первых признаков контактной усталости металла на любом из колец или тел качения.

Однако, данное определение термина — «долговечность подшипника» является корректным лишь в случае стационарного нагружения подшипника. При работе подшипника с изменяющимися нагрузками и частотами вращения его долговечность может быть определена двумя путями. Первый — по числу оборотов при эквивалентной нагрузке и условной частоте вращения подшипника (как правило, равной 100 об/мин.). Второй — по числу блоков нагрузок, повторяющихся при функционировании опорного узла (так называемый блочный метод определения долговечности). Например, при расчете долговечности элементов привода автомобиля за один блок нагрузок приняты нагрузки и число их воздействий, имеющие место при пробеге автомобилем одного усредненного километра дороги, а расчетная долговечность (ресурс) (до появления признаков отбраковки) выражается общим пробегом в тысячах километров.

С учетом нестационарного режима нагружения оборудования буровой установки долговечность ее элементов (в том числе и подшипников качения) целесообразно определять количеством пробуренных скважин до появления в них признаков отбраковки.

Во всех случаях нагружения подшипника (стационарном и нестационарном) основой для расчета долговечности подшипника является его динамическая грузоподъемность.

Под базовой динамической расчетной грузоподъемностью подразумевается такая постоянная неподвижная радиальная (для радиальных и радиально-упорных подшипников) или центральная осевая нагрузка (для упорных и упорно-радиальных подшипников), которую может выдержать подшипник, совершая один млн. оборотов.

Под базовым расчетным ресурсом понимается ресурс партии подшипников, в которой не менее 90% одинаковых подшипников, имеющих одинаковый режим нагружения (нагрузку и частоту вращения), должны отработать без появления признаков усталости металла беговых дорожек и тел качения в виде раковин и отслаивания.

Базовый расчетный ресурс (L₁₀) для шарикового и роликового радиального и радиально-упорного подшипника (в миллионах оборотов) рассчитывают по формуле:

где С_r — базовая динамическая радиальная расчетная грузоподъемность, Н;

Р_r — эквивалентная динамическая радиальная нагрузка, Н;

m_п — показатель степени кривой усталости подшипников

Базовый расчетный ресурс (L₁₀) для шариковых и роликовых упорных и упорно-радиальных подшипников (в миллионах оборотов) рассчитывают по формуле:

где С_a — базовая динамическая осевая расчетная грузоподъемность, Н;

Р_a — эквивалентная динамическая осевая нагрузка, Н.

Показатель степени кривой усталости подшипников принимают для шариковых подшипников m_п=3;

для роликовых подшипников m_п=10/3.

Скорректированный расчетный ресурс рассчитывают по формуле:

или

где а₁ — коэффициент, корректирующий ресурс в зависимости от надежности;

а₂ — коэффициент, учитывающий качество металла колец и тел качения;

а₃ — коэффициент, учитывающий условия эксплуатации (наличие гидродинамической пленки масла между контактирующими поверхностями колец и тел качения, наличие перекосов и др.).

Если частота вращения подшипника постоянная, удобнее считать скорректированный расчетный ресурс L_h в рабочих часах:

где n — частота вращения, об/мин.

1.6 Выбор прототипа

При конструировании вертлюгов сначала выбирают прототип конструкции и устанавливают структуру конструкции. Выбор прототипа конструкции вертлюга, на базе которого в соответствии с заданными исходными данными конструируется новый, должен основываться на всестороннем анализе уже существующих конструкций и данных об их эксплуатации.

На рис. 1.8 показана довольно устаревшая конструкция вертлюга ВШ14−160М, имеющая следующие недостатки. Напорный сальник небыстросъемный, расположен в расточке внутри отверстия ствола, поэтому его смена занимает много времени, усложняет конструкцию ствола и увеличивает его длину. Габариты корпуса использованы нерационально. Нижний радиальный подшипник расположен слишком высоко от нижней части корпуса, главная опора не центрирована в корпусе, и ее свободное кольцо только опирается на плиту, являющуюся лишним промежуточным элементом, что сокращает долговечность опоры и удорожает конструкцию. Не обеспечивается попадание смазки в верхний радиальный подшипник уже при небольшом снижении ее уровня. Расположение вспомогательного упорного подшипника в нижней части корпуса в масляной ванне преимуществ не дает, так как он редко работает под нагрузкой и обильной смазки и охлаждения не требует, а сборка ствола вертлюга при таком расположении подшипника усложнена и центровка его в корпусе обеспечена плохо. Преимуществом этого вертлюга является использование в нем конического роликового подшипника, допускающего частоту вращения до 250 об/мин.

Рис. 1.8 Вертлюг ШВ14−160М:

1— штроп; 2 —труба напорная; 3 — уплотнение ствола; 4, 10 — верхний и нижний сальники масляные; 5 — подшипники радиальные; 6 — опора главная; 7 — ствол; 8 — корпус; 9 — подшипники На рис. 1.9. показана конструкция вертлюга УВ-250МА с лучшим расположением опор и использованием объема корпуса, в результате чего уменьшена высота вертлюга и упрощен монтаж ствола.

Верхний радиальный и упорный вспомогательный подшипники имеют изолированную камеру с консистентной смазкой, а главная опора и нижний упорный, радиальный подшипник работают в масляной ванне корпуса. Использование быстросменного сальника позволило уменьшить длину ствола вертлюга, так как он не имеет расточки. В этой конструкции, выбран подшипник главной опоры с коническими роликами, допускающими частоту вращения до 300 об/мин. Для работы при высоких давлениях неудачна конструкция фланцевого крепления бурового рукава к подводу.

Конструкция крышки и крепления нижнего масляного сальника неоправданно усложнены.

Рис. 1.9. Вертлюг УВ-250:

1 — ствол; 2, 8 — сальники масляные нижний и верхний; 3, 7 — роликоподшипники радиальные нижний и верхний; 5 — опора главная;6 — подшипник упорный; 9 — уплотнение быстросменное; 10 — труба напорная; // — крышка; 12 — сапун с маслоуказателем; 13 — подвод

Выберем в качестве прототипа вертлюг УВ-250.

Таблица 1.7 Техническая характеристика вертлюга УВ-250

2. Расчетная часть

Таблица 2.1 Расчет конструкции скважины

Профиль скважины:

2.2 Расчет бурильной колонны

Таблица 2.2