Глава XI

ВЕРТЛЮГИ

§ 1. Назначение и устройство вертлюгов

Вертлюг является механизмом, соединяющим не вращающуюся талевую систему с вращающейся в процессе бурения, и служит для ввода в колонну под давлением промывочной жидкости.

Вертлюг подвешивается на крюке и перемещается во время бурения сква­жины вертикально на длину ведущей трубы (квадратной штанги) (6—18 м).

Квадратная штанга присоединяется к стволу вертлюга на резьбе н передает па него всю силу тяжести бурильной колонны и дополнительную нагрузку, возникающую при прихватах и затяж­ках. Промывочная жидкость подводится к вертлюгу от стояка напорной линии гибким напорным рукавом, который при­крепляется одним концом к горловине, а другим к стояку на высоте, несколько меньшей длины рукава.

Рис. XI-1. Конструктивная схема вертлюга.

1 — опорный подшипник;'2"— малый упорный подшипник; 3 и 4 — радиальные подшипники.

На рис. XI-1 показано схематиче­ское устройство вертлюга. Основной вращающейся его деталью является ствол, воспринимающий силу тяжести колонны. Полый ствол, смонтированный в корпусе на радиальных и упорных, либо на ра-диально-упорных подшипниках, снабжен грибовидным фланцем, передающим силу тяжести колонны через главный опорный подшипник на корпус, подвешиваемый к крюку талевой системы. Опоры ствола вертлюга фиксируют его положение в

корпусе, препятствуя осевым вертикальным и радиальным переме­щениям и обеспечивая его устойчивое положение. Опора, воспри­нимающая силу тяжести колонны, называется главной.

265

Сила тяжести корпуса вертлюга, толчки и удары от колонны снизу вверх воспринимаются второй вспомогательной осевой опорой, устанавливаемой над или под главной. Ствол вертлюга является ведомым узлом. При принятом в бурении нормальном направлении вращения бурильной колонны (по часовой стрелке, если смотреть сверху ротора) ствол и все детали, связанные с ним, во избежание самоотвинчивания имеют стандартные конические левые резьбы. Исключение составляют устройства, в которых совмещены вертлюг и ротор. Ствол такого вертлюга является ведущим узлом и имеет правую резьбу. Корпус вертлюга имеет приливы, ограничивающие перемещение хомута и устанавливающие его в положение, удобное для захвата крюком, когда вертлюг с квадратной штангой находится в шурфе.

К крышке корпуса прикреплен патрубок с резьбой или фланцем, к которому присоединяется напорный рукав. Промывочная жидкость поступает из напорного рукава через патрубок в соединенную с ним напорную трубу, из которой попадает в полость вращающегося ствола вертлюга. Зазор между отверстием в стволе и напорной тру­бой уплотняется напорным сальником, обеспечивающим герметич­ность при больших давлениях прокачиваемой жидкости на всех скоростях вращения ствола и предотвращающим попадание промы­вочной жидкости внутрь корпуса вертлюга. Напорный сальник во время роторного бурения эксплуатируется в тяжелых усло­виях, срок его службы значительно меньший, чем остальных деталей вертлюга. Поэтому такой сальник выполняется быстро­сменным.

Проточную часть вертлюга изготовляют обтекаемой формы для обеспечения минимальных гидравлических потерь и минимального износа абразивными частицами, содержащимися в промывочной жидкости, движущейся со скоростью до 5—6 м/сек. 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 сальники, которые защищают вну­треннюю полость корпуса с масляной ванной от попадания в них влаги и грязи снаружи и удерживают масло от вытекания при вер­тикальном рабочем или горизонтальном не рабочем положении вертлюга во время транспортировки.

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

Типоразмер вертлюга и его область применения определяются номинальной грузоподъемностью, т. е. систематической нагрузкой, которую вертлюг может длительно воспринимать в процессе враще­ния бурильной колонны. Статической грузоподъемностью называется

266

F

максимальная нагрузка, которую вертлюг может воспринимать при скорости вращения до 5 об/мин.

Вертлюги также характеризуются допускаемым количеством прокачиваемой жидкости, давлением прокачки, скоростью враще­ния ствола, массой и размерами. Выбор параметров вертлюга осу­ществляется аналогично выбору таковых ротора.

г

D

-d, -----

D —

D —

Рис, XI-2. Подшипники главных опор вертлюгов,

а — шариковый упорно-радиальный; б — роликовый конический с упорной плоской шайбой; в — роликовый конический; в — роликовый бочкообразный; д — роликовый цилиндрический.

По конструкции вертлюги отличаются количеством, типом и рас­положением опор ствола, устройством напорных сальников, схемой подвески корпуса к крюку, устройством хомутов и схемой их кре­пления .

Конструкция опор выполняется различно. В зависимости от гру­зоподъемности и возможностей заводов-изготовителей стволы монти­руют в корпусе на различном количестве опор: на четырех, из кото­рых два радиальных и два упорных подшипника; на трех, из кото­рых одна нижняя — радиальный, главная опора — упорный и верх­ний — радиально-упорный подшипники. Два радиальных подшип­ника обеспечивают центровку и устойчивость ствола в поперечном направлении.

Главную опору располагают вне или между центрирующими подшипниками. Во втором случае обеспечивается лучшая центровка

267

и устойчивость ствола. В качестве главной опоры в вертлюгах исполь­зуются шариковые однорядные радиально-упорные подшипники или роликовые подшипники с коническими, бочкообразными или цилиндрическими роликами (рис. XI-2). Шариковые подшипники применяются обычно в вертлюгах грузоподъемностью до 50 т. В вертлюгах грузоподъемностью 75 т и более в главной опоре при­меняют упорные конические и цилиндрические роликовые подшип­ники, имеющие при тех же габаритах большую несущую способность и долговечность, чем шариковые.

В упорных подшипниках при вращении возникают значительные центробежные силы, а в подшипниках с коническими роликами — дополнительные усилия, направленные вдоль оси ролика, оси вра­щения ствола к периферии. Эти усилия вызывают дополнительный износ периферийного торца ролика и упорных буртиков колец под­шипника. В вертлюгах грузоподъемностью 75—150 т при скоростях вращения бурильных колонн до 150 об/мин конические упорные под­шипники выдерживают большую грузоподъемность и обеспечивают большую долговечность, чем подшипники других типов. В связи со сложностью изготовления и высокой стоимостью эти подшипники применяются только в вертлюгах грузоподъемностью более 150 т.

В упорных подшипниках с цилиндрическими роликами усилия вдоль оси роликов возникают только от центробежных сил.

В результате проскальзывания роликов вследствие различных скоростей их движения возникает значительное трение. Поэтому подгаипники такого типа применяют только в тихоходных тяжело нагруженных вертлюгах.

Для уменьшения проскальзывания относительно колец подшип­ника цилиндрические ролики выполняются составными из несколь­ких коротких частей.

Вспомогательный упорный подшипник обычно шариковый, рас­положенный выше или ниже главной опоры, препятствует переме­щению ствола вверх.

Для облегчения замены напорные сальники выполняют быстро-съемными (рис. XI-3). Этот сальник выполнен из трех эластичных резино-металлических или пластмассовых самоуплотняющихся ман­жет, каждая из которых фиксируется в осевом направлении в непо­движном металлическом кольце. При этом эксплуатируется только одна манжета, расположенная со стороны, противоположной дей­ствию давления, а две другие являются запасными. В сальниках с раздельным креплением все манжеты работают одновременно, что обеспечивает большую их долговечность.

Верхний и нижний масляные сальники уплотняются резиновой или кожаной манжетой, обжимаемой вокруг ствола кольцевой пру­жиной. В некоторых конструкциях нижний масляный сальник для большей надежности выполняется из двух-четырех резино-асбесто-вых самоуплотняющихся манжет.

Напорный сальник обычно расположен в верхней части вертлюга над крышкой корпуса. В ряде конструкций для защиты масляного

268

сальника от попадания промывочной жидкости под крышкой напор­ного сальника устанавливается металлический или резиновый отбой­ный диск.

С целью уменьшения износа ствола манжетными кольцами ниж­него масляного сальника в вертлюгах предусматривают сменные втулки, навинчиваемые на стол. При износе втулка может быть

2 3

Рис. XI-3. Еыстросъемный напорный сальник верт­люга.

1 — ввод вертлюга; 2 — труба напорная; 3 — манжета уп­лотнения напорной трубы; 4 — уплотняющее кольцо; 5 — втулка сальника; 6 —гайка верхняя; 7 — кольцо запорное пружинное; * — гайка нижняя; 9 — манжета напорного саль­ника; 10 — СТВОЛ.

заменена новой, за счет чего сохраняется дорогостоящий ствол вертлюга. Для предохранения от утечки масла через зазоры в резьбе втулки применяют набивку. Хомут, на котором подвешиваются вертлюги на крюке талевой системы, присоединяют к корпусу верт­люга посредством пальцев, вставляемых в проушину хомута и пазы корпуса.

С целью упрощения и облегчения конструкции вертлюга и умень­шения его высоты в некоторых буровых установках вертлюги

269

подвешиваются на элеваторе или на штропах, для чего в последнем случае предусмотрены проушины для штропов.

Резьба нижнего конца ствола предохраняется переводником, являющимся промежуточным звеном между стволом вертлюга и квад­ратной штангой. Конец ствола имеет ниппельную или муфтовую резьбовую часть. При ниппельной резьбовой части корпус ниппеля имеет больший диаметр, чем ствол, и для извлечения ствола из кор­пуса необходимо снимать переводник. В тех случаях, когда ствол имеет на конце муфтовую замковую резьбу, диаметр переводника выполняют не более диаметра ствола, в результате чего ствол легка извлекается из корпуса и легко осуществляется смена нижнего масляного сальника. При этом не требуется отвинчивать переводник при разборке вертлюга и можно выполнить ствол несколько короче, чем при ниппельном конце. Верхняя крышка корпуса вертлюга в большинстве конструкций имеет сверху П-образную стойку, в верх­ней части которой укрепляется фланец напорной трубы, зажимаемый фланцем горловины, через которую движется промывочная жидкость. Крышка крепится к корпусу на шпильках. В крышке имеются отвер­стия для заливки масла и дыхательный клапан. В нижней части корпуса расположена сливная пробка.

Хомуты вертлюгов имеют различные конструкции. В большинстве случаев они выполняются дугообразной формы из среднеуглеродистой стали круглого сечения. Коэффициент уковки применяют на менее 3.

Стволы вертлюгов являются одной из наиболее нагру­женных и ответственных деталей вертлюга. Изготовляются они цель­ноковаными с грибовидным фланцем. Коэффициент уковки не менее 1,2—1,7. Материалом для изготовления служат легированные хро­мом и никелем конструкционные среднеуглеродистые стали. Стволы вертлюгов подвергаются термической обработке до твердости НКБ = = 280 н- 320, а затем тщательной дефектоскопии.

Корпуса вертлюгов и крышки представляют собой отливки из стального среднеуглеродистого литья. Сторона, присоеди­няемая к напорному рукаву, снабжается фланцем (или резьбой), к которому присоединяется соединительное ниппельное устройство. Уплотнение в ниппельном устройстве достигается на конусных поверхностях резиновым кольцом.