Лебедка буровой установки и регулятор подачи долота, используемый в лебедке

(51) 21 3/02 (2009.01) 21 45/00 (2009.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ лебедки осуществляется при помощи основного ленточно-колодочного тормоза установленного на шкивах барабана 25 и вспомогательного тормоза ЭМТ 29. Последний соединяется с подъемным валом 25 при помощи кулачковой муфты 28. В данной лебедке ЭМТ, помимо его основного назначения как торможение подъемного вала для плавного спуска бурильной колонны, используется также и в качестве дополнительного датчика нагрузки в системе управления РПД. Цепная передача 30 (33/40) связывает трансмиссию роторас подъемным валом 25, от которого приводится в движение сам ротор 32, включаемый при помощи ШПМ 31. Система управления работой РПД содержит станцию управления 33, мотор-генератор 34,выполненный на базе асинхронного электродвигателя, электродвигатель постоянного тока 8 с устройством для охлаждения,соединительную муфту 7, редуктор 6, посажанную на приводном валу лебедки муфту ШПМ 5, цепную передачу 3 привода подъемного вала 25 лебедки ,имеющего на свободном конце ЭМТ 29 и кулачковую муфту 28 включения. Подъемный вал 25 кинематический связан с ротором 32, через которого в скважину 35 проходит ведущая труба 36 буровой колонны,придерживаемая талевой оснасткой 37. Рабочая струна 38 оснастки 37 завивается на барабане 25 лебедки, а другая 39 закрепляется неподвижно и имеет установленный на ней основной чувствительный элемент системы управления РПД электрический датчик веса 40. Электрический датчик 40 имеет обратную связь с пультом управления 41 для измерения веса бурильной колонны, прямо пропорционального осевой нагрузке Ро на долото и передачи этого параметра в виде сигнала в пульт. С пультом управления 41 такую же обратную связь имеет и ЭМТ 29, используемый в качестве дополнительного чувствительного элемента (датчика) для измерения и передачи в виде сигнала момента сопротивления на подъемном валу 25, прямо пропорционального осевой нагрузке на долото Ро. Использование в системе управления РПД электромагнитного тормоза лебедки в качестве дополнительного датчика нагрузки с обратной(72) Ахметов Сайранбек Махсутович Ахметов Нуркен Махсутович Мардонов Батыржан Шайхымежденов Жанибек Гинаятович Абугалиев Суиншбек Курманбаевич(73) Ахметов Сайранбек Махсутович Ахметов Нуркен Махсутович(56) Баграмов Р.А. Бурение машины и газовых скважин Учебник для вузов. - М. Недра, 1988, с. 501, 169-173, рис. . 1(54) ЛЕБЕДКА БУРОВОЙ УСТАНОВКИ И РЕГУЛЯТОР ПОДАЧИ ДОЛОТА,ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ В ЛЕБЕДКЕ(57) Изобретение относится к технике и технологии бурения нефтегазовых скважин, а именно к кинематическим схемам лебедок буровых установок и может быть использовано в процессе регулирования подачи долота. Лебедка буровой установки и РПД,используемый в лебедке, состоящая из блоков РПД, КПП , собственно самой лебедкии трансмиссии ротора , содержит тахогенератор 1,связанный с ШПМ 2 включения, цепную передачу 3(81/21), приводимую в движение от блока РПД ,выполненного в виде отдельного агрегата посредством приводного вала 4, ШПМ 5, зубчатого редуктора 6, соединительной муфты 7 и электродвигателя 8 постоянного тока. Другой конец приводного вала 4 посредством ШПМ 9 связан с КПП , имеющего клиноременную передачу 10 для привода масляного насоса, пневматический тормоз 11, фиксирующий положение валов КПП при включении кулачковыми муфтами 13,14,15, 18 и 19 цепные передачи 12 (52/27), 16 (34/27) и 17 (27/30), а также зубчатой передачи, ведущее колесо 20 которой установлено на трансмиссионном валу 21,включаемого от привода лебедки при помощи ШПМ 22, а ведомое колесо 23 установлено на промежуточном валу 24. Подъемный вал 25 лебедки, связанный с РПД посредством цепной передачи 3 (81/21), другим концом связан с КППпосредством цепной передачи 26(40/39),включаемой при помощи ШПМ 27. Торможение 22675 связью повышает эффективность согласованной работы лебедки и связанного с ней РПД, снижает 22675 Изобретение относится к технике и технологии бурения нефтегазовых скважин, а именно к кинематическим схемам лебедок буровых установок и может быть использовано в процессе регулирования подачи долота. Известны лебедки буровых установок (далее лебедка),кинематические схемы которых,характерно современным отечественным и зарубежным лебедкам содержат следующие основные конструктивные элементы приводной вал с коробкой перемены передач (КПП), шиннопневматические муфты(ШПМ) включения,подъемный вал, установленные на нем барабан с тормозным шкивом основного ленточного тормоза и вспомогательный тормоз, выполненный в виде гидродинамического (ГДТ) или электромагнитного тормоза (ЭМТ), включаемые в работу в зависимости от исполнения при помощи ШПМ, кулачковых (КМ) или обгонных предохранительных муфт,трансмиссия, ротор, регулятор подачи долота (РПД),выполненный в виде агрегата с электродвигателем,соединительной муфты и зубчатого редуктора,цепные передачи (ЦП), используемые для редуцированной передачи вращения между валами и (или) агрегатами, например, между подъемным валом и РПД 1-3. В указанных лебедках КПП выполнены цепными, зубчатыми или комбинированными передачами. Не смотря на общие черты элементов конструктивно-кинематической схемы, каждая из указанных лебедок имеет свои отличия, достоинства и недостатки,связанные с особенностью выполнения кинематических связей между рабочими валами, видов применяемых в них приводов и источников энергии. Например, в двухвальной лебедке 2 в отличие от одновальной 1, ротор приводится не от подъемного, а от трансмиссионного вала, который в свою очередь является промежуточным валом между РПД и подъемным валом лебедки. Или же, например, в трехвальной лебедке 3, в отличие от двух первых,имеется дополнительный катушечный вал, а ротор приводится одновременно как от дополнительного карданного вала, так и от подъемного вала посредством общего зубчатого редуктора с двойным выходом. Следует отметить, что, не смотря на указанные некоторые конструктивные особенности лебедок,которые не влияют на общий принцип их работы,практически неизменным и главным исполнительным силовым узлом в них остается подъемный вал с установленными на нем барабаном, муфтами включения, основным и вспомогательным тормозами. Причем, не зависимо от марки и разновидности лебедок, принципы включения и управления работой этого силового узла практически у всех одинаковые. Идентичны также и порядок расположения на подъемном валу его составных элементов. Например, в лебедках 13 составные элементы на подъемном валу расположены в следующей последовательности ШПМ - ЦП - Барабан - ЦП - ШП и (или) КМ - КМ- ЭТ (или ГДТ). В лебедке 3, в отличие от 1 и 2,указанная последовательность идет справа налево,что, с кинематической точки зрения не имеет существенного значения. В отличие от 2 и 3, на подъемном валу лебедки 1, в качестве вспомогательного тормоза в место ГДТ установлен тормоз ЭМТ. В указанных лебедках, подъемный вал,кинематический связанный с РПД посредством ЦП участвует в процессе подачи бурового инструмента только механически, так как ни один из элементов вала не имеет обратной связи с системой управления РПД. В РПД лебедки роторной буровой установки процесс регулирования подачи долота осуществляется только в зависимости от изменения веса бурильной колонны,измеряемого чувствительным элементом в виде электрического датчика веса, расположенного на неподвижной части ветви талевой оснастки, что не полностью обеспечивает систему управления необходимыми сигналами. При этом, регулирование осевой нагрузки через другие косвенные управляемые силовые параметры, например, через момент сопротивления на валу в лебедках не предусмотрены. Решение этого вопроса позволили бы повысить эффективность работы лебедки и улучшить быстродействие РДП.Следовательно,возникает необходимость усиления сигнала,поступающего от датчика веса дополнительным чувствительным элементом, способным реагировать на изменение момента сопротивления, прямо пропорционального осевой нагрузке на долоте. Это дало бы нам возможность решить поставленную задачу сохраняя структуры кинематических схем действующих моделей лебедок и связанных с ним РПД, что позволит снизить до минимума затраты,связанные с конструктивными изменениями. Размещение предполагаемого чувствительного элемента непосредственно в бурильной колонне не дает положительных результатов. Подвижность бурильной колонны(продольно-поперечные колебания, тряски) может повлиять на динамику чувствительного элемента, и как следствие,привести к снижению (искажению) точности измерения сигналов. Поэтому, кроме всего,дополнительный чувствительный элемент должен быть расположен непосредственно на одном из валов лебедки, например, на подъемном валу. При этом наибольший эффект даст использование уже имеющихся на подъемном валу лебедки исполнительных элементов, свойственных к использованию в системе автоматического регулирования, каким является ЭМТ. Наиболее близкой к предлагаемой по конструктивной схеме является одна из вышеописанных лебедок, где на подъемном валу, в качестве вспомогательного тормоза применяется ЭМТ, преимущественно индукционного или порошкового типа (прототип) 1. Применение ЭМТ в лебедке позволяет- облегчить работу механического (основного ленточного) тормоза, за счет поглощения ГДТ значительной части (8085) энергии спуска 3 22675 бурильной колонны, регулировать ее скорость,благодаря чему, бурильщик не утомляется и сокращается количество несчастных случаев и аварий- уменьшить истирание, нагрев и износ рабочих элементов основного ленточного тормоза- спуск инструмента осуществляется более плавно и улучшается условия работы талевого каната. Однако в этих лебедках, ЭМТ, имея большие функциональные возможности не задействованы в системе управления работой РПД из-за отсутствия обратной связи с ней. Применение ЭМТ, помимо их основного назначения, в качестве дополнительного чувствительного элемента (электрического датчика) для усиления системы управления РПД позволило бы улучшить согласованность работы лебедки и РПД в процессе регулирования подачи инструмента,повысить их быстродействие. В существующих кинематических схемах лебедок буровых установок для регулирования подачи инструмента в последнее время применяются в основном электрические регуляторы подачи долота типа РПДЭ, предназначенные для поддержания заданной осевой нагрузки на долото и постоянной скорости подачи бурильной колонны при бурении нефтяных и газовых скважин роторным способом и гидравлическими забойными двигателями. Наиболее близкой к предлагаемой является схема регулятора РПДЭ-3, состоящая из станции управления, мотора-генератора на базе асинхронного электродвигателя, используемого для питания электродвигателя постоянного тока в приводе регулятора, включающего редуктор,соединительную муфту и цепную передачу(прототип) 4. Посредством цепной передачи РПДЭ-3 связан с подъемным валом лебедки, о чем было сказано при анализе кинематических схем аналогов 1-3. Талевая оснастка лебедки имеет на неподвижной части ветви чувствительный элемент в виде электрического датчика веса. В данном РПДЭ-3, осевая нагрузка на долото задается бурильщиком на пульте управления,которая измеряется с помощью электрического датчика веса и передается на пульт управления, где,сравнивается с заданной величиной. Разность сигналов поступает на усилители, установленные на станции управления. Усилители соответственно воздействуют на обмотку возбуждения моторагенератора, а следовательно, и на механическую характеристику питаемой им электродвигателя постоянного тока, т. е. происходит снижение или увеличение ее частоты вращения, передаваемой посредством привода на подъемный вал лебедки. Однако, в системе управления данного РПДЭ-3 не предусмотрена возможность регулирования подачей бурового инструмента за счет изменения момента сопротивления на подъемном валу лебедки,отсутствует чувствительный элемент, способный реагировать на такое изменение,прямо пропорционального осевой нагрузке на долоте, а также его обратная связь с управлением РПДЭ-3. 4 Таким образом, на основании проведенного анализа обобщенных конструктивнокинематических схем существующих отечественных и зарубежных лебедок буровых установок, а также изучения схемы управления применяемой в них РПДЭ-3 можем сделать вывод о том, что технический результат в предполагаемом изобретений будет заключаться в применении ЭМТ в качестве дополнительного чувствительного элемента (датчика нагрузки) для измерения момента сопротивления на подъемном валу буровой лебедки с целью усиления сигналов управления,поступающих на станцию управления РПД. Технический результат в предложенном изобретений достигается тем, что в лебедке буровой установки, кинематическая схема которой содержит приводной вал, КПП, ШПМ, подъемный вал,установленные на нем барабан с тормозным шкивом основного ленточного тормоза и вспомогательный тормоз - ЭМТ, трансмиссию ротора, цепные передачи и РПД, ЭМТ выполнен с возможностью использования его в качестве дополнительного датчика нагрузки в системе управления РПД. При этом РПД, содержащий станцию управления, моторгенератор, электродвигатель постоянного тока,соединительную муфту, редуктор, ШПМ, цепную передачу, связывающую РПД с подъемным валом лебедки, ведущую трубу бурильной колонны,проходящую в скважину через ротор,придерживаемую при помощи талевой оснастки,имеющую в неподвижной струне чувствительный элемент в виде электрического датчика веса,который, благодаря обратной связи с пультом управления в системе управления РПД, реагируя на изменения веса бурильной колонны используется для измерения осевой нагрузки на долото и передачи этого сигнала на пульт управления,система управления РПД снабжена дополнительным чувствительным элементом посредством обратной связи ЭМТ с пультом управления, используемого для измерения момента сопротивления на подъемном валу буровой лебедки,прямо пропорционального осевой нагрузке на долото и передачи изменения этого параметра в виде сигнала на пульт управления. На фиг. 1 показана кинематическая схема описываемой лебедки буровой установки, на фиг.2 принципиальная схема РПД. Лебедка буровой установки и РПД,используемый в лебедке, состоящая из блоков РПД , КПП , собственно самой лебедкии трансмиссии ротора , содержит тахогенератор 1,связанный с ШПМ 2 включения, цепную передачу 3(81/21), приводимую в движение от блока РПД ,выполненного в виде отдельного агрегата посредством приводного вала 4, ШПМ 5, зубчатого редуктора 6, соединительной муфты 7 и электродвигателя 8 постоянного тока. Другой конец приводного вала 4 посредством ШПМ 9 связан с КПП , имеющего клиноременную передачу 10 для привода масляного насоса, пневматический тормоз 11, фиксирующий положение валов КПП при включении кулачковыми муфтами 13,14,15, 18 и 19 22675 цепные передачи 12 (52/27), 16 (34/27) и 17 (27/30), а также зубчатой передачи, ведущее колесо 20 которой установлено на трансмиссионном валу 21,включаемого от привода лебедки при помощи ШПМ 22, а ведомое колесо 23 установлено на промежуточном валу 24. Подъемный вал 25 лебедки, связанный с РПД посредством цепной передачи 3 (81/21), другим концом связан с КППпосредством цепной передачи 26(40/39),включаемой при помощи ШПМ 27. Торможение лебедки осуществляется при помощи основного ленточно-колодочного тормоза установленного на шкивах барабана 25 и вспомогательного тормоза ЭМТ 29. Последний соединяется с подъемным валом 25 при помощи кулачковой муфты 28. В данной лебедке ЭМТ, помимо его основного назначения как торможение подъемного вала для плавного спуска бурильной колонны, используется также и в качестве дополнительного датчика нагрузки в системе управления РПД. Цепная передача 30 (33/40) связывает трансмиссию роторас подъемным валом 25, от которого приводится в движение сам ротор 32, включаемый при помощи ШПМ 31. Система управления работой РПД (см. фиг.2) в составе данной лебедки содержит станцию управления 33, мотор-генератор 34, выполненный на базе асинхронного электродвигателя,электродвигатель постоянного тока 8 с устройством для охлаждения, соединительную муфту 7, редуктор 6, посажанную на приводном валу лебедки муфту ШПМ 5, цепную передачу 3 привода подъемного вала 25 лебедки , имеющего на свободном конце ЭМТ 29 и кулачковую муфту 28 включения. Подъемный вал 25 кинематический связан с ротором 32, через которого в скважину 35 проходит ведущая труба 36 буровой колонны,придерживаемая талевой оснасткой 37. Рабочая струна 38 оснастки 37 завивается на барабане 25 лебедки, а другая 39- закрепляется неподвижно и имеет установленный на ней основной чувствительный элемент системы управления РПД электрический датчик веса 40. Электрический датчик 40 имеет обратную связь с пультом управления 41 для измерения веса бурильной колонны,прямо пропорционального осевой нагрузке Ро на долото и передачи этого параметра в виде сигнала в пульт. С пультом управления 41 такую же обратную связь имеет и ЭМТ 29,используемый в качестве дополнительного чувствительного элемента (датчика) для измерения и передачи в виде сигнала момента сопротивления на подъемном валу 25, прямо пропорционального осевой нагрузке на долото Ро. Лебедка буровой установки и регулятор подачи долота используемый в лебедке работает следующим образом. Бурильщик задает осевую нагрузку с пульта управления 41 в зависимости от твердости разбуриваемой породы. Превышение осевой нагрузки на долото от установленной величины приведет к увеличению момента сопротивления на подъемном валу 25 приводимого приводом РПД в процессе подачи долота, а также к изменению веса бурильной колонны. В результате чего, величина тормозного момента на ЭМТ 29, равная величине момента сопротивления на подъемном валу лебедки изменится и передается в виде электрического сигнала на пульт управления 40. Одновременно, изза изменения веса бурильной колонны электрический сигнал поступает также в пульт управления 41 и от электрического датчика веса 40 расположенного на неподвижной струне 39. Поступившие из двух датчиков в пульт управления сигналы суммируются и сравниваются с величиной осевой нагрузки,задаваемой бурильщиком. Разность сигналов Ро поступает на усилители, установленные на станции управления 33. Усилители действуют на обмотку возбуждения мотор-генератора 34, который одновременно питает как электродвигатель постоянного тока 8, так и ЭМТ 29, током, тормозящим (замедляющим) вращения их вала и якоря соответственно. Это в свою очередь приведет к уменьшению подачи РПД до стабилизации осевой нагрузки на долото. Таким образом, использование в системе управления РПД электромагнитного тормоза лебедки в качестве дополнительного датчика нагрузки с обратной связью позволит усилить поступающие на пульт управления сигналы, прямо пропорциональные к осевой нагрузке на долото, и тем самым, увеличить быстродействие РПД. Это повышает эффективность согласованной работы лебедки и связанного с ней РПД, снижает износ долота и связанные с этим непроизводительные затраты. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Баграмов Р.А. Буровые машины и комплексы Учебник для вузов. - М. Недра, 1988.с.501.С. 169-173, Рис. .1 (прототип). 2. Там же Рис. .2. 3. Там же Рис. .3. 4. Вадецкий Ю.В. Бурение нефтяных и газовых скважин Учебник для нач. проф. образования. - М. Издательский центр Академия,2004. с. 352 С. 247-249, Рис. 7.17 (прототип). ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Лебедка буровой установки, кинематическая схема которой содержит приводной вал, коробку перемены передач, шинно-пневматические муфты включения, подъемный вал, установленные на нем барабан с тормозным шкивом основного ленточного тормоза и вспомогательный электромагнитный тормоз (ЭМТ), трансмиссию ротора, цепные передачи, регулятор подачи долота (РПД) с системой управления, отличающаяся тем, что ЭМТ выполнен с возможностью использования в качестве дополнительного датчика нагрузки в системе управления РПД. 2. Регулятор подачи долота, используемый в лебедке по п.1, содержащий станцию управления,мотор-генератор, электродвигатель постоянного тока, соединительную муфту, редуктор, шинно 5 22675 пневматическую муфту,цепную передачу,связывающую РПД с подъемным валом лебедки,ведущую трубу бурильной колонны, проходящую в скважину через ротор, придерживаемую при помощи талевой оснастки,имеющую в неподвижной струне чувствительный элемент в виде электрического датчика веса, который,благодаря обратной связи с пультом управления в системе управления РПД, реагируя на изменения веса бурильной колонны используется для измерения осевой нагрузки на долото и передачи этого в виде сигнала на пульт управления,отличающийся тем, что система управления РПД снабжена дополнительным чувствительным элементом посредством обратной связи ЭМТ с пультом управления, используемого для измерения момента сопротивления на подъемном валу буровой лебедки, прямо пропорционального осевой нагрузке на долото и передачи изменения этого параметра в виде сигнала на пульт управления.