Гідравлічний привід лебідки бурової

Винахід відноситься до нафтогазової промисловості, а саме до гідравлічних приводів бурової лебідки, і може бути використаний на бурових установках. Відомий гідравлічний привод лебідки бурової (див. опис до пат. України №54566, МПК В66Д1/08), який містить гідромотор, гідронасос, гідроперетворювач, гідроакумулятор і бак. Такий привод не пристосований для малих подач робочої рідини, що необхідно для роботи гідравлічного приводу в режимі буріння, під час якого подача робочої рідини в гідромотор лебідки не перевищує 1% від номінальної. Відомий також гідравлічний привід лебідки бурової (див.опис. до заявки на винахід №2002108117, МПК В66Д1/08, рішення про видачу деклараційного патенту від 16.05.2003р.), що містить гідромотор, кінематичне з'єднаний із тросовим барабаном, гідронасос, три регулятори розходу, клапанні гідророзподільники, гідроперетворювач, гідроакумулятор, бак і систему керування, причому трос барабана проходить через шківи кронблока і тальблока. Застосування в прототипі одного гідронасоса також не дозволяє використовувати його для буріння. При бурінні швидкість подачі інструмента, у залежності від умов буріння, змінюється від 0 до 10мм/сек і складає від 0 до 1% номінальної швидкості спуска. Гідронасосом з механізмом керування подачею, який живить гідромотор лебідки, необхідно керувати, змінюючи його подачу в межах від 0 до 1% номінальної подачі рідини, що практично неможливо. Крім того, для зниження пульсації, яка виникає при бурінні внаслідок анізотропних властивостей породи і характеру роботи долота, необхідно забезпечити сталість тиску в гідромоторі і тим самим номінальне постійне навантаження на долото. У прототипі це практично неможливо через малу величину подачі робочої рідини в режимі буріння щодо номінальної величини подачі в режимі спуску-підйому. Також, при режимі контрольованого навантаження на долото компенсація протічок пар поршень-гільза і перетічок по розподільних органах гідравлічного приводу може складати до 10% від номінальної подачі, для чого будуть потрібні додаткові енерговитрати - до 10% від номінальної потужності. Зменшення частоти обертання насоса приводить до зниження його об'ємного к.к.д. Великі енерговитрати будуть потрібні і для запуску якогонебудь іншого агрегату бурової при зупинці лебідки, тому що гідронасос у прототипі використовується тільки для привода лебідки. Крім того, високі швидкості обертання барабана і, відповідно, високі швидкості каната і гака при спуску, високі вантажне й інерційне навантаження приведуть до зносу і виходу з ладу гідронасосу лебідки і можливості виникнення аварійних ситуацій. В основу винаходу поставлена задача розширення функціональних можливостей гідравлічного приводу лебідки бурової за рахунок забезпечення постійного тиску в гідромоторі при бурінні, а також зменшення енерговитрат і підвищення надійності і безпеки роботи. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що гідравлічний привод лебідки бурової, який містить гідромотор лебідки, кінематичне з'єднаний із тросовим барабаном, трос якого проходить через шківи кронблока і тальблока, гідронасос з напірною лінією до гідромотора лебідки, перший, другий і третій регулятори розходу, клапанні гідророзподільники, гідроперетворювач, гідроакумулятор, бак і систему керування, містить не менш одного додаткового гідронасоса з напірною лінією, підключеного паралельно першому гідронасосу, а напірні лінії гідронасосів через клапанні гідророзподільники з'єднані з напірними лініями інших агрегатів бурової установки, наприклад, бурового ротора, бурового насоса й ін. Принаймні один з гідронасосів може бути постачений механізмом дистанційного пропорційного керування і подачею і тиском робочої рідини, а інші - механізмами дистанційного пропорційного керування подачею робочої рідини. Крім того, перший і другий регулятори розходу можуть бути виконані пропорційними з дистанційним електрогідрокеруванням, а третій - з постійним настроюванням. Напірні лінії гідронасосів можуть бути постачені датчиками тиску, з'єднаними із системою керування. Гідравлічний привід лебідки бурової може також містити датчик переміщень, кінематичне з'єднаний зі шківом кронблока і зв'язаний із системою керування. Використання декількох паралельно працюючих гідронасосів і з'єднання їхніх напірних ліній з напірними лініями інших агрегатів бурової установки дозволяє виконати електрогідрокерування з великою дискретністю подачі робочої рідини, що забезпечує можливість регулювання і керування гідромотором лебідки подачею одного з гідронасосів, який для цього постачений механізмом дистанційного пропорційного керування подачею і тиском робочої рідини. Інші насоси в цей момент підключаються до напірних ліній інших агрегатів, наприклад, бурових насоса чи ротора, що забезпечує енергетичні потреби всіх основних агрегатів бурової установки при бурінні. Наявність додаткових гідронасосів дозволяє маневрувати потоками робочої рідини, обходячи гідронасоси, які вийшли з ладу, що підвищує надійність і безпеку роботи. Гідронасос з механізмом дистанційного пропорційного керування і подачею і тиском робочої рідини використовується при бурінні, в інших же режимах роботи лебідки можуть працювати інші насоси з механізмами дистанційного пропорційного керування тільки подачею, більш прості і, відповідно, більш надійні, але і перший насос також може бути використаний для роботи в цих режимах. Виконання двох регуляторів розходу пропорційними з електрогідрокеруванням, а третього - з постійним настроюванням спрощує конструкцію привода, що підвищує надійність його роботи при прийнятних характеристиках. Датчики тиску, з'єднані із системою керування, якими постачені напірні лінії гідронасосів, дозволяють установлювати зворотні зв'язки із системою керування, даючи можливість підтримувати і регулювати тиск на всіх режимах, включаючи буріння, що розширює функціональні можливості гідравлічного приводу, у той же час підвищуючи надійність роботи. Датчик переміщень, з'єднаний із системою керування, кінематично зв'язаний зі шківом кронблока, дає можливість регулювати швидкість гака і визначати його положення, що запобігає ударам гака по столу ротора, тим самим підвищується надійність і безпека роботи. На фіг. зображена принципова гідравлічна схема гідравлічного приводу лебідки бурової. Гідравлічний привід лебідки бурової містить оборотний мотор-насос 1 регульованого обсягу, кінематичне з'єднаний з барабаном, на якому намотаний трос 2, прокладений по шківах 3 поліспасто-талевої системи. Напірна магістраль 4 мотор-насоса 1 через гідророзподільник 5 з'єднана з запобіжним клапаном 6 і з напірною магістраллю 7 гідронасосів 8 і 9. Причому гідронасос 8 має механізм 10 дистанційного пропорційного керування подачею і тиском робочої рідини, а гідронасоси 9 - механізми 11 дистанційного пропорційного керування подачею. Напірна магістраль 7 через клапан 12,13,14 і 15 з'єднана з обома частинами гідроакумулятора 16. Зливна магістраль 17 мотор-насоса 1 через гідророзподільник 5 з'єднана з гідророзподільниками 18 і 19. Через гідророзподільник 18 зливна магістраль 17 з'єднана з керованим регулятором розходу 20, що через клапани 14 і 15 з'єднаний з гідроакумулятором 16, а через клапан 21, керований регулятор розходу 22, клапан 23 - з високонапірним гідромотором 24 гідроперетворювача 25. Регулятор розходу 22 через клапан 26 з'єднаний з гідромотором 27 вентилятора 28, а через клапан 29 - з напірною магістраллю 30, яка через регулятор розходу 31 з постійним настроюванням з'єднана з гідромотором 32, з'єднаним з електричним генератором 33. Зливна магістраль 17 через гідророзподільник 19 і напірний клапан 34 з’єднана з баком 35. Гідромотор 27 через гідророзподільник 36 сполучений з насосом 37, який також з'єднаний з фільтром 38. Гідроперетворювач 25 також включає гідромотор 39 низького тиску, з'єднаний кінематичне з керованим насосом 40 перемінної продуктивності і гідромотором 24, причому напірна магістраль 41 насоса 40 через зворотний клапан 42, клапан 12 з'єднана з напірною магістраллю 7, а через клапани 13 і 14 - з гідроакумулятором 16. Регулятор розходу 22 через клапан 43 з'єднаний з магістраллю 7. Гідроакумулятор 16 через клапани 44 з'єднаний з регулятором розходу 22. З напірною магістраллю 30 з'єднана напірна магістраль керованого насоса 45 змінної продуктивності з механізмом 46 керування подачею. Гідронасоси 8, 9, 45, 37 кінематичне з'єднані між собою і з приводним двигуном 47. Напірні магістралі гідронасосів 8 і 9 через клапани 48 з'єднані з напірною магістраллю 49 ротора бурового і напірною магістраллю 50 насоса бурового. Шків 3 кронблока з'єднаний з датчиком 51 швидкості. Напірні магістралі 7, 49, 50 з'єднані з датчиками 52 тиску. Усі регулюючі та керуючі елементі з'єднані з системою керування 53. Генератор 33 електрично з'єднаний з пусковим пристроєм 54 приводного двигуна 47. Запропонований гідравлічний привод лебідки бурової працює таким чином: Перед запуском приводного двигуна 47 гідроакумулятор 16 заповнений. По команді системи керування 53, відкривши клапан 44, робочу рідину з гідроакумулятора 16 через регулятор розходу 22, клапан 29, по магістралі 3 через регулятор розходу 31 подають на вхід гідромотора 32 привода генератора 33. Вироблену електроенергію подають на пусковий пристрій 54 приводного двигуна 47. При цьому, системою керування 53 подача насосів 8, 9, 45 установлюється нульова, що зменшує опір і енергетичні втрати. Пусковий пристрій 54, заживлений струмом від генератора 33, запускає двигун 47. При бурінні насос 8 з механізмом керування 10 з'єднують через клапан 48 з магістраллю 7. Системою керування 53 попередньо встановлена нульова подача. Бурова колона підвішена на клинах. Через систему керування 53 і механізм 10 оператор плавно збільшує подачу насоса 8 і переключає гідророзподільник 5 на підйом колони. Колона піднімається, відриваючись від клинів. Далі її зупиняє оператор. У цей момент система керування 53 зменшує подачу до моменту зупинки колони, який фіксується датчиком 51, тому що зупиняються трос 2 і шків 3. Протічки і перетічки в мотор-насосі 1 компенсуються подачею гідронасоса 8. По тиску в магістралях 7 і 4, визначаємому датчиком 52, визначається зусилля на тросі 2 - Ркан, тому що вони прямопропорційні. Далі оператор вводить у систему керування оптимальну величину навантаження на долото Fдол. Система керування 53 розраховує величину зменшення тиску Dp у магістралі 4 по рівнянню: Dp = Fкан - Fдол , К де К - коефіцієнт, який залежить від конструктивних параметрів. Потім оператор дає команду системі керування 53 на спуск колони й одночасно через неї, керуючи механізмами 11 гідронасосів 9 і клапанами 48, подає робочу рідину в магістралі 49 і 50, живлячи гідромотори бурового ротора і бурового насоса (на фіг. не показані). Подача гідронасоса 8 зменшується, і, завдяки протічкам і перетічкам у мотор-насосі 1, колона, обертаючись, опускається до торкання долотом вибою, що зменшує тиск у магістралі 4 на величину Dp . Система керування 53 зменшує подачу гідронасоса 8, підтримуючи Ар у розрахункових величинах, тому що при вибурюванні породи тиск у магістралі 4 починає рости. У зливній магістралі 17 мотор-насоса 1 підтримується постійний тиск підпору, тому що робочу рідину через гідророзподільники 5 і 18 пропускають через керований системою керування 53 регулятор розходу 20, клапани 14 і 21, регулятор розходу 22, клапан 26, гідромотор 27 вентилятора 28 у бак 35. Гідронасоси 9, які не беруть участь у живленні мотор-насоса 1, при зупинці бурового ротора чи бурового насоса можуть подавати робочу рідину до бурової лебідки, буровим ключам, допоміжній лебідці, маніпуляторам трубним, мішалкам циркуляційної системи та іншим агрегатам бурової установки, які працюють незалежно від бурової лебідки. При зупинці буріння долото піднімають над вибоєм ( Dp =0). Якщо зупинка тривала - гідророзподільником 5 відключають подачу робочої рідини в мотор-насос 1 і фіксують лебідку стояночним гальмом. При зупиненій буровій лебідці і працюючому буровому роторі чи буровому насосі можливі наступні режими: - гідронасос 8 клапанами 48 переключається на живлення або ротора, або насоса бурового, при цьому злив робочої рідини з гідромоторів бурового ротора направляють у гідромотор 39 гідроперетворювача 25, який навантажений гідромотором 24. При цьому створюється необхідний підпір гідромоторів бурового ротора і від насоса 40 по магістралі 41 через клапани 42,12 робоча рідина подається в магістраль 7 і з неї через клапани 48 у магістралі 49 чи 50, чим зменшується необхідна подача гідронасосів 8 і 9, тобто знижується їхнє енергоспоживання; - робочу рідину подають від насоса 40 гідроперетворювача 25 через клапани 42, 13, 14, 15 у гідроакумулятор 16, де енергія підпору гідромоторів бурового ротора накопичується; - робочу рідину подають від насоса 40 через клапани 42, 13, 14, 21, регулятор розходу 22, клапан 26 на гідромотор 27 вентилятора 28; - робочу рідину подають від насоса 40 через клапани 42, 13, 14, 29 у магістраль 30 живлення гідромотора 32 генератора 33. При підйомі колони бурові ротор і насос відключають від гідронасосів 8, 9. Усі гідронасоси 8 і 9 підключають до магістралі 7. Лінію бурового насоса короткочасно, при зупинці бурової лебідки, підключають для долиття бурового розчину в свердловину. Магістраль 7 гідророзподільником 5 з'єднують з магістраллю 4. Плавно збільшуючи подачу гідронасосів 8 і 9, відривають колону від клинів бурового ротора. Тиск при цьому контролюється датчиками 52 і обмежується запобіжним клапаном 6. Швидкість і прискорення підйому контролюється датчиком 51 і системою керування 53. Злив з мотор-насоса 1 по магістралі 17 через гідророзподільник 5 може бути виконаний: - через гідророзподільники 18 і 19 і напірний клапан 34 у бак 35; - через гідророзподільник 19 у гідромотор 39 гідроперетворювача 25 і у бак 35,а з його насосом 40 або в гідроакумулятор 16, або в магістраль 7; - через гідророзподільник 18, регулятор розходу 20, клапани 14,21, регулятор розходу 22, далі через клапани 26 і 29 - у магістраль 30, чи через клапан 26-у гідромотор 27. Живлення гідромоторів 27 і 32 дублюється: - насос 37 через гідророзподільник 36 може бути з'єднаний з гідромотором 27; - насос 45 через регулятор розходу 31 може бути з'єднаний з гідромотором 32, а його частота обертання підтримується зміною подачі насоса 45 механізмом 46 керування подачі по команді системи керування 53. При достатній частоті обертання гідромотора 27 вентилятора 28, подача насоса 37 через гідророзподільник 36 здійснюється через фільтр 38 у бак 35. При спуску колони лебідка працює в режимі «побіжного» навантаження на тросі 2 і основна задача привода лебідки бурової - обмеження швидкості спуска, зупинка колони. При підвішеній нерухомій колоні гідророзподільник 5, у положенні «підйом», з'єднує магістралі 4 і 7 - рівновага забезпечується роботою гідронасоса 8 з механізмом 10, по сигналах датчика 51 і системи керування 53. По тиску в магістралі 7, вимірюваному датчиком 52, система керування 53 оцінює вагу колони і визначає припустиму швидкість спуска, відповідну їй подачу гідронасосів 8,9 і їхню необхідну кількість. По команді оператора переключається гідророзподільник 5, з'єднуючи магістраль 7 з магістраллю 17. При цьому необхідна кількість гідронасосів 8,9 клапанами 48 підключаються до магістралі 7 для підтримки необхідного для заданої швидкості обертання моторнасоса 1 підпору. Під дією ваги колони мотор-насос 1 створює тиск у магістралі 4, яку по команді системи керування 53 з'єднують через гідророзподільник 18, регулятор витрати 20, клапани 14 і 15 з 1-ою частиною гідроакумулятора 16. Регульований розхід робочої рідини забезпечує задану швидкість троса 2, вимірювану датчиком 51 на шківі 3. Після заповнення 1-ої частини гідроакумулятора 16 робочою рідиною клапан 15 закривають, відкриваючи аналогічний клапан у 2-ій частині гідроакумулятора 16, а 1-у частин у клапаном 44 сполучають з регулятором розходу 22, який клапаном 29 сполучають з магістраллю 30 для привода генератора 33 і інших допоміжних пристроїв, а клапаном 26 - з гідромотором 27 вентилятора 28. Таким чином, при спуску колони труб одна частина гідроакумулятора 16 накопичує енергію, а друга - витрачає її. За час спуска однієї свічі обидві частини гідроакумулятора 16 кілька разів змінюють свій режим роботи. У момент зупинки колони регулятор розходу 20 установлюють на «О» чи мінімальну подачу, гідророзподільник 5 переключають, з'єднуючи магістралі 4 і 7, гідронасоси 9 відключають від магістралі 7, вантаж врівноважують подачею гідронасоса 8. Якщо колону підвішують на клинах, то гідророзподільник 5 встановлюють у нейтральне положення, перекриваючи магістралі 4 і 17. При зупинці в гідроакумуляторі 16 залишається запас робочої рідини під тиском. Енергію цієї рідини можна витратити на привод допоміжних механізмів, пропустивши робочу рідину через клапани 44, регулятор розходу 22, клапани 26 і 29. Можна також використовувати її при підйомі порожнього гака, пропустивши через гідроперетворювач 25: регулятор розходу 22 - клапан 2 -насос 40 - магістраль 41- клапан 42 - клапан 12 магістраль 7 чи через клапани 44-регулятор розходу 22 - клапан 43 - магістраль 7. Наявність варіантів роботи пропонованого пристрою забезпечує можливість оптимізації технологічного процесу, розширення функціональних можливостей, а можливість роботи при відключенні окремих ланцюгів і агрегатів підвищує надійність роботи. Специфічність роботи бурової установки, яка полягає в тому, що при спуско-подйомних операціях працює не тільки бурова лебідка, забезпечується пропонованим винаходом, який забезпечує маневр потужностями і подачами окремих насосів і їхні х гр уп.