Параметры буровых роторов

К основным параметрам бурового ротора относятся:

• диаметр проходного отверстия и столе ротора;
• допускаемая статическая нагрузка на стол;
• частота вращения стола ротора;
• мощность ротора;
• максимальный вращающий момент.

Расчет параметров буровых роторов

Диаметр проходного отверстия в столе ротора (D_по) должен быть достаточным для спуска долот и обсадных труб, используемых при бурении и креплении

D_пo=Dд_н+δ              (12.114)

где D_дн - диаметр долота при бурении под направление скважины, зависящей от конструкции скважины (в глубоких скважинах диаметр направления возрастает из-за увеличения числа промежуточных колонн); δ - диаметральный зазор, необходимый для свободного прохода долота (δ=30÷50 мм).

Буровые роторы, применяемые для бурения скважин на море, имеют более широкое проходное отверстие, поскольку в этому случае D_пo выбирается по диаметру водоотделяющей колонны, связывающей подводное устьевое оборудование с буровым судном. Проходное отверстие вкладышей стола ротора должно быть достаточным для прохода бурильной колоны при спускоподъемных операциях.

Поскольку наибольший диаметр бурильных замков равен 203 мм, отверстие вкладышей стола ротора всех типоразмеров принятого равным 225 мм.

Допускаемая статическая нагрузка [Р_ст] на стол ротора должна быть достаточной для удержания в неподвижном состоянии наиболее тяжелой обсадной или бурильной колонны, но одновременно не превышать статическую грузоподъемность подшипника

M_max≤[P_ст]≤G_o,         (12.115)

где M_max - масса наиболее тяжелой обсадной колонны (в большинстве случаев наиболее тяжелыми оказываются промежуточные колонны); G_о - статическая грузоподъемность подшипника основной опоры стола ротора, которая выбирается по величине D_по.

Параметры роторов буровых установок приводится в табл. 12.7 и 12.8. Характеристика подшипников опор качения отечественных роторов приведена в табл. 12.9.

Таблица 12.7 и 12.8. Параметры роторов буровых установок

Показатели	Тип ротора
	Р-700	Р-950	P-l260
Диаметр отверстия в столе ротора, Попускаемая статическая нагрузка на стол, кН Максимальная частота вращения стола ротора, мин-1 Статический крутящий момент на столе ротора, кН·м Подшипники приводного вала Основная опора Вспомогательная опора	700 5000 350 80 7538 1687/770х 1687/770х	950 6300 350 120 7538 1687/1060х 1688/1060х	1260 8000 350 180 3634 1687/1400x 11689/1400х

Показатели	Ротор
	Р-560	Р-360
Диаметр отверстия в столе ротора, мм	560	360
Допускаемая статическая нагрузка, кН	2500	1250
Максимальная частота вращения стола ротора, мин-1	250	200
Максимальный момент на столе ротора, кМн	35	12,3
Подшипники приводного вала	3624	3620
Основная опора	91682/670	9168288
Вспомогательная опора	31688/630	7168284

Таблица 12.9 Характеристика подшипников опор качения роторов

Опора качения	Условное обозначение подшипника	Тип ротора	Грузоподъ- емность МН
			стати- ческая	динами- ческая
Основная- шарикоподшипники упорно-радиальные	91682/750х	У7-560-6	4,1	4,44
	1681/670х	У7-760	7,00	9,5
	1687/770х	Р-560	8,42	10,3
	1687/1060	Р-700	9,00	10,6
	1687/1400	Р-950	9,67	9,80
		Р-1260	12,5	10,9
Основная-ролико- подшипники упорно- радиальные конические	-	Р-450-Ш3	7,70	5,19
		Р-700-Ш2	11,5	7,32
Вспомогательная - шарикоподшипники упорно-радиальные	1681/670х	Р560-Ш8	7,40	3,30
	71682/800	У7-520-3	6,88	4,96
	1681/850	УР-760	7,40	3,72
	32634	Р-560	4,30	6,80
	1688/770х	Р-700	4,73	7,20
	1688/1060	Р-950	5,22	7,10
	1689/1400х	Р-1260	6.82	7.90

Выбор частоты вращения стола ротора осуществляется в соответствии с требованиями, предъявляемыми технологией бурения. Наибольшая частота вращения ограничивается критической частотой вращения буровых долот n_max≤250 мин-1. Опыт показывает, что при дальнейшем увеличении n ухудшаются показатели работы долот. Кроме того, с ростом п увеличиваются центробежные силы, вызывающие про дольный изгиб бурильной колонны, приводящий к усталостному разрушению в резьбовых соединениях. Наименьшая n_pmin)= 15-20 мин-1 используется при бурении глубокозалегающих абразивных и весьма твер дых пород, забуривании и калибровке ствола скважины, периодическом проворачивании бурильной колонны с целью устранения прихвата при бурении с забойными двигателями, ликвидации аварий.

В предварительных расчетах n_р в зависимости от текущей (L) и конечной глубины бурения (L_p) можно вычислить по эмпирической зависимости

               (12.116)

Мощность ротора должна быть достаточной для вращения бурильной колонны, долота и разрушения горной породы забоя скважины N_д

                  (12.117)

где η_р=0,90-0,95 к.п.д. ротора, который учитывает потери в трущихся деталях ротора. Для определения мощности на холостое вращение бурильной колонны (N_хв) можно воспользоваться формулой (8.6).

Мощность N_д, расходуемую на разрушение породы шарошечным долотом, можно определить, используя формулу (8.12), колонковым долотом - (8.13).

Максимальный вращающий момент М_вр(max) определяется по мощности и минимальной частоте вращения стола ротора

                  (12.118)

где N_p - мощность ротора. кВт; η_p - к.п.д. ротора; n_min - минимальная частота вращения стола ротора.

Для определения долговечности подшипника главной опоры ротора рассчитывают действующие в зацеплении усилия (рис. 12.16): окружное усилие Р, радиальное Q и осевое N. Рис. 12.16. Расчетная схема ротора Расчетный момент, действующий на стол ротора                        (12.119) где ω - угловая скорость вращения стола ротора, рад/с.

Окружное усилие Р, действующее в зубчатом зацеплении              (12.120)

где d₂ - диаметр конического колеса, м.

Осевое усилие шестерни N₁ равно радиальному усилию на колесо Q₂

              (12.121)

Радиальное усилие Q₁, равное осевому N₂                 (12.122)

где φ₁ - угол начального конуса шестерни, градусы

                (12.123)

где u_p=d₂/d₁ - передаточное отношение ротора d₁ - диаметр конической шестерни, α=20°; β= 10÷30° - угол наклона зубьев конической пары.

В формуле (12.121) знак «+» берется, когда направление наклона зубьев и вращения создает осевое усилие, направленное от вершины к основанию конической шестерни; знак «-» - при противоположном направлении этого усилия.

Расчетная эквивалентная нагрузка на главную опору В ротора

P_П=(xF_p+yF_а)k_Тk_бk_эk_K,               (12.124)

где F_p и F_а - постоянные по величине и направлению радиальная и осевая нагрузки; х и y коэффициенты радиальной и осевой динамических нагрузок, при отношении F_а/F_р=1(при других значениях отношения см.ГОСТ 18855-82) и угле контакта шаров γ>40° принимают х=0,35 и y=0,57; k_т - температурный коэффициент, при температуре менее 100°С k_т=1; k_б= 1,8÷2,5 - коэффициент безопасности для роторов; k_э=0,6÷0,8 - коэффициент эквивалентности, k_K кинематический коэффициент, при вращении внутреннего кольца подшипника принимается k_K=1.

Радиальная нагрузка F_p для расчета долговечности подшипника главной опоры В стола ротора принимается равной окружному усилию Р, так как их плоскости действия почти совпадают F_p= Р.

Осевая нагрузка, действующая на опору В стола ротора,       F_a=G+N_т+N₂               (12.125)

где G - вес стола ротора в сборе; N₂ - осевое усилие, создаваемое в зубчатом зацеплении; N_т - осевое усилие от трения ведущей трубы о вкладыши ротора при движении бурильной колонны вниз

N_т=M_рƒ_с/R                  (12.126)

гдеƒ_с=0,2-0,3 - коэффициент трения ведущей трубы о зажимы ротора; R=0,1м - радиус приложения нагрузки между ведущей трубой и зажимами ротора.