Патент на изобретение №2204009
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) БУРОВАЯ ВЫШКА
(57) Реферат: Изобретение относится к области горной промышленности. Сущность изобретения: буровая вышка содержит подъемное оборудование, включающее расположенные параллельно направляющие, каждая из которых включает вертикальный основной направляющий рельс, параллельный ему магазинный направляющий рельс и расположенную в нижней части буровой вышки соединительную направляющую часть между двумя указанными рельсами, зубчатую рейку, с возможностью скольжения расположенную в каждой направляющей, указанные зубчатые рейки разделены на следующие один за другим, предпочтительно шарнирно соединенные между собой сегменты зубчатой рейки, опирающиеся друг на друга, когда зубчатая рейка или когда ее часть находится в вертикальном основном направляющем рельсе, причем основной направляющий рельс приспособлен для создания горизонтальной опоры для сегментов зубчатой рейки, грузовое ярмо, опирающееся на зубчатые рейки, расположенные в соответствующих вертикальных основных направляющих рельсах, и приводной механизм, включающий приводные зубчатые колеса, находящиеся в приводном зацеплении с зубчатыми рейками в соответствующих вертикальных направляющих рельсах. Изобретение обеспечивает повышение производительности и надежности работы. 13 з.п. ф-лы, 9 ил. Изобретение относится к буровой вышке, в частности к буровой вышке с буровым станком, содержащей конструкцию вышки и подъемное оборудование для груза, например, колонны бурильных труб в конструкции буровой вышки. Неотъемлемой функцией буровой вышки с буровым станком является вертикальное перемещение грузов, в первую очередь колонны бурильных труб и ее секций и опускаемого и возвращаемого оборудования, например, ПВС (предохранителя выброса из скважины) при помощи колонны бурильных труб. В обычных буровых вышках с буровым станком используют тянущие механизмы, тросы и блоки. В последнее время производились буровые вышки с буровым станком, в которых работы с грузами выполняются при помощи гидравлических цилиндров в комбинации с тросами и блоками. Также известны предложения использовать приводные механизмы, имеющие двигатель или двигатели, соединенные с зубчатыми колесами, которые поднимаются по вертикально установленным в буровой вышке зубчатым рейкам. Последнее решение имеет преимущество перед системами с тросами, заключающееся в том, что трос, как элемент, несущий нагрузку, исключается. Трос будет растягиваться под нагрузкой. В современных системах с тросами в буровых вышках с буровым станком, таким образом, необходимо постоянно следить за тросами и заменять их через регулярные интервалы времени для поддержания нужной точности работы подъемного оборудования. Проблема, связанная с известным уровнем техники, использующим приводные механизмы с двигателями или коробками передач, соединенными с зубчатыми колесами, которые входят в зацепление с зубчатыми рейками, состоит в том, что двигатели, имеющие коробки передач или зубчатые колеса, поднимающиеся по зубчатой рейке, таким образом, требуют подачи энергии при помощи гибкого рукава или кабеля, и вес двигателей или приводного механизма, которые требуется поднимать, поднимается в дополнение к поднимаемому грузу. Последнего указанного недостатка можно избежать путем выполнения подъемного оборудования таким образом, чтобы неприводной механизм поднимался по зубчатым рейкам, а зубчатые рейки двигались вверх и вниз при помощи приводного механизма. Известны устройства для перемещения, в частности, подъема и опускания грузов с использованием приводного механизма, включающего зубчатое колесо, входящее в зацепление с зубчатой рейкой, разделенной на следующие один за другим и шарнирно соединенные сегменты зубчатой рейки, движущиеся в направляющей, см., например, патенты США 1870244, 1916517 и 2170595. В этих известных устройствах сегменты зубчатой рейки замкнуты в прямой вертикальной подъемной линии, и включенные сюда подъемные устройства предназначены для относительно коротких подъемных или поддомкрачиваемых отрезков движения. Сегменты зубчатой рейки складируются горизонтально. В авторском свидетельстве СССР 1271958 раскрыта буровая вышка, в частности буровая вышка с буровым станком, содержащая конструкцию буровой вышки, имеющую расположенные параллельно вертикальные направляющие, подъемное оборудование для груза, например, колонны бурильных труб, содержащее грузовое ярмо, установленное с возможностью перемещения в вертикальных направляющих, и приводной механизм. Целью настоящего изобретения является создание подъемного приводного устройства, предназначенного для практически бесконечного по протяженности движения и почти неограниченной производительности, касающейся рабочей мощности и скорости хода. Отдельной целью изобретения является создание подъемного устройства, имеющего сегменты зубчатой рейки, способные перемещаться вверх и вниз при помощи приводного механизма и предохраненные в вертикальной, несущей нагрузку прямой линии от прогиба или изгибания. Также целью изобретения является создание буровой вышки, в частности буровой вышки с буровым станком, в которой груз, поднимаемый подъемным оборудованием, принимается в нижней части буровой вышки. Также целью изобретения является создание буровой вышки, в частности буровой вышки с буровым станком, имеющей более легкую и более простую конструкцию, преимущественно сконструированную для учета горизонтальных сил. Отдельной целью изобретения является создание буровой вышки с буровым станком для использования на борту плавучей, например, буровой платформы, с центром тяжести буровой вышки, радикально пониженным в сравнении с обычными буровыми вышками с буровыми станками. Отдельной целью изобретения является также создание буровой вышки с буровым станком, в которой подъемное оборудование при необходимости может использоваться для сжатия колонны бурильных труб или колонны труб. Также целью изобретения является создание буровой вышки, в частности буровой вышки с буровым станком, которая может удлиняться в соответствии с необходимостью простым способом. Эти и другие цели изобретения достигаются созданием буровой вышки, в частности, буровой вышки с буровым станком, содержащей конструкцию буровой вышки, имеющую расположенные параллельно вертикальные направляющие, подъемное оборудование для груза, например, колонны бурильных труб, содержащее грузовое ярмо, установленное с возможностью перемещения в вертикальных направляющих, и приводной механизм. Согласно изобретению, каждая вертикальная направляющая содержит вертикальный основной направляющий рельс, параллельный ему магазинный направляющий рельс и расположенную в нижней части буровой вышки соединительную направляющую часть между двумя указанными рельсами, а подъемное оборудование включает расположенные в каждой вертикальной направляющей с возможностью скольжения зубчатые рейки, разделенные на следующие один за другим, предпочтительно шарнирно соединенные между собой сегменты зубчатой рейки, опирающиеся друг на друга, при расположении зубчатой рейки или ее части в вертикальном основном направляющем рельсе, приспособленном для создания горизонтальной опоры для сегментов зубчатой рейки, а грузовое ярмо расположено с возможностью опоры на зубчатые рейки, расположенные в соответствующих вертикальных основных направляющих рельсах, при этом приводной механизм включает приводные зубчатые колеса, находящиеся в приводном зацеплении с зубчатыми рейками, в соответствующих вертикальных направляющих рельсах. Сегменты зубчатой рейки могут иметь зубья на двух параллельных сторонах. Подъемное оборудование, согласно изобретению, может на практике быть сконструировано так, чтобы оно было очень точным механизмом. Груз может приниматься в нижней части буровой вышки, где расположен приводной механизм. Это дает возможность получения более легкой (по весу) конструкции буровой вышки, в которой восприятие горизонтальных сил является заданным важным свойством. Поскольку груз принимается в нижней части буровой вышки и поскольку буровая вышка может быть более легкой, центр тяжести буровой вышки будет снижен, что важно и обеспечивает большое преимущество при использовании на борту плавучих судов, например плавучих буровых платформ. Преимущественно подъемное оборудование может также использоваться для сжатия, например, колонны труб, когда грузовое ярмо соединено с зубчатыми рейками. Первоначально высота подъема будет определяться количеством сегментов зубчатой рейки. Сегменты зубчатой рейки, которые не формируют часть вертикальной опорной зубчатой рейки, будут располагаться в вертикальном магазинном направляющем рельсе. Сегменты зубчатой рейки могут быть выполнены так, чтобы они располагались один поверх другого на прямых поверхностях, и горизонтальная опора предотвращает их прогиб или изгибание. Конструкция буровой вышки может быть удлинена или укорочена просто добавлением или удалением сегмента буровой вышки. При необходимости дополнительные сегменты зубчатой рейки могут вставляться в цепь из сегментов зубчатой рейки или при необходимости удаляться из нее. Соединительная направляющая часть между основным направляющим рельсом и магазинным направляющим рельсом может быть выполнена в форме изогнутой направляющей части. Особенно предпочтительно, чтобы каждая соединительная направляющая часть содержала холостое колесо, установленное с возможностью вращения на горизонтальной оси и имеющее периферию, входящую в контакт с сегментами зубчатой рейки, расположенными в соединительной направляющей части. Особенно предпочтительно, чтобы холостое колесо имело эластичное периферийное покрытие, например, из подходящего резинового материала. Холостое колесо этого типа будет обеспечивать предпочтительное перемещение сегментов зубчатой рейки в этой U-образной части направляющей. Эластичное периферийное покрытие обеспечивает получение мягкого контакта между холостым колесом и сегментами зубчатой рейки и служит для восприятия малейших размерных отклонений и будет предотвращать движение толчками и тенденцию к колеблющимся движениям цепи сегментов, сформированной из сегментов зубчатой рейки. Особенно предпочтительно, чтобы каждый отдельный сегмент зубчатой рейки был выполнен в форме балки с Н-образным сечением, с зубьями на параллельных сторонах фланцев, посредством чего может быть получено плавное приведение в движение сегментов зубчатой рейки при помощи приводных зубчатых колес, которые воздействуют на обе стороны сегмента зубчатой рейки. Согласно изобретению, особенно предпочтительно, если применяется синхронизация, которая включает зубчатые колеса, входящие в зацепление с зубчатой рейкой в двух магазинных направляющем рельсах и имеющих приводное соединение с зубчатыми колесами, находящимися в приводном зацеплении с соответствующим приводным зубчатым колесом. Это обеспечивает возможность синхронизации движений сегментов зубчатой рейки в двух вертикальных направляющих рельсах. Согласно изобретению, может применяться средство регулирования натяжения для регулировки относительного натяжения сегментов зубчатой рейки по холостым колесам таким образом, что получают желательное и предпочтительное примыкающее взаимодействие между периферией холостого колеса и сегментами зубчатой рейки в этой части направляющей. Холостое колесо, которое находится в зацеплении с зубчатой рейкой в магазинном направляющем рельсе, может поддерживаться так, чтобы его положение было регулируемым для получения натянутого взаимодействия между сегментами зубчатой рейки и холостым колесом, или, более предпочтительно, холостое колесо может поддерживаться с возможностью регулирования натяжения сегментов зубчатой рейки на холостом колесе. Приводное соединение между соответственным зубчатым колесом, которое входит в зацепление с зубчатой рейкой в магазинном направляющем рельсе, и зубчатым колесом, которое находится в приводном зацеплении с соответствующим приводным зубчатым колесом, преимущественно включает универсальный вал и, при необходимости, соединения вала. Особенно предпочтительно, если приводной механизм, соответствующий изобретению, содержит приводной двигатель для каждого приводного зубчатого колеса. Для обеспечения синхронной работы приводных двигателей предпочтительно, чтобы прямо противостоящие приводные двигатели для двух зубчатых колес имели приводное соединение друг с другом при помощи соответствующего приводного вала. При применении буровой вышки с буровым станком на борту плавучей платформы будет необходимо включить в подъемное оборудование компенсатор качки. Согласно изобретению, такая компенсация качки может быть получена соединением каждой зубчатой рейки с, по меньшей мере, одним приводным зубчатым колесом, имеющим приводное соединение с электродвигателем, и с, по меньшей мере, одним приводным зубчатым колесом, имеющим приводное соединение с гидравлическим двигателем, соединенным с гидравлическим аккумулятором, соединенным с гидравлической аккумулирующей системой, имеющей питательный насос низкого давления. Конструкция может быть такова, что, когда груз на подъемнике движется вниз, гидравлические двигатели работают как насосы и заряжают аккумуляторы, и когда груз на подъемнике движется вверх, они работают как двигатели, при этом они получают энергию от аккумуляторов. Зубчатые рейки будут часто, например, в буровой вышке с буровым станком работать в неблагоприятных условиях окружающей среды и таким образом будут преимущественно иметь такие вертикальные направляющие, которые закрыты от воздействия окружающей среды и приспособлены для защищенного перемещения грузового ярма в основных направляющих рельсах. Согласно изобретению, защита грузового ярма может содержать соответствующий брезентовый элемент, приводимый в действие грузовым ярмом, в который заделаны магнитные частицы, при этом на основном направляющем рельсе установлены магниты, удерживающие брезентовый элемент на месте на основном направляющем рельсе так, что он закрывает вертикальную направляющую. В предпочтительном варианте осуществления изобретения на грузовом ярме расположены ролики, взаимодействующие с брезентовым элементом и отодвигающие его от основного направляющего рельса или вновь укладывающие его на место при движении грузового ярма вдоль основного направляющего рельса. Приводной механизм может быть выполнен в виде системы компенсации качки. Далее изобретение будет описано более подробно со ссылками на чертежи, на которых: фиг.1 изображает вертикальное сечение буровой вышки; фиг.2 изображает вид сбоку буровой вышки, показанной на фиг.1; фиг. 3 изображает в увеличенном масштабе вид в плане (в сечении) буровой вышки; фиг. 4 изображает вид в сечении области расположения холостого колеса буровой вышки; фиг. 5 изображает вид горизонтального сечения основного направляющего рельса с приводными зубчатыми колесами; фиг. 6 изображает вид вертикального сечения области расположения холостого колеса; фиг. 7 изображает вид вертикального сечения грузового ярма и соединенной с ним направляющей; фиг. 8 изображает вид вертикального сечения грузового ярма, видимого в направлении стрелки VIII на фиг.7; фиг.9 изображает упрощенный контур буровой вышки, показанной на фиг.1. Фиг. 1, 2 и 3 изображают буровую вышку с буровым станком, в которой применено настоящее изобретение. Буровая вышка 1 с буровым станком, показанная на фиг.1 и 2, состоит, по существу, из двух конструкций 2 и 3 буровой вышки, причем обе сконструированы известным способом в форме решетчатых структур. Каждая конструкция 2, 3 буровой вышки включает вертикальную направляющую. Ниже, по существу, только конструкция 2 буровой вышки и ее компоненты будут описаны более подробно, поскольку две конструкции 2, 3 буровой вышки идентичны друг другу. В конструкции 2 буровой вышки вертикальная направляющая включает вертикальный основной направляющий рельс 4, параллельный ему магазинный направляющий рельс 5 и соединительную направляющую часть 6 в нижней части буровой вышки. Конструкция 3 буровой вышки также имеет вертикальную направляющую, которая включает вертикальный основной направляющий рельс 7, параллельный ему магазинный направляющий рельс 8 и соединительную направляющую часть 9 между основным направляющим рельсом и магазинным направляющим рельсом в нижней части буровой вышки. В соответствующих направляющих 4-6, 7-9 с возможностью скольжения расположена соответствующая зубчатая рейка 10, 11. Это, в частности, показано на схематической фиг. 9. Каждая зубчатая рейка 10, 11 состоит из следующих один за другим сегментов 12, 13 зубчатой рейки. Фиг. 4 изображает сечение области расположения холостого колеса 6 в направляющей 4-6 конструкции 2 буровой вышки. На фиг.4 можно видеть, что зубчатая рейка 10 состоит из соединенных между собой шарнирами 16 сегментов 12 зубчатой рейки. Эти сегменты 12 зубчатой рейки расположены так, что они опираются друг на друга, когда зубчатая рейка 10 или ее часть находится в вертикальном основном направляющем рельсе 4. Основной направляющий рельс 4 имеет такую конструкцию и конфигурацию, что он обеспечивает горизонтальную опору для сегментов 12 зубчатой рейки так, что зубчатая рейка 10 будет предохранена от прогиба или изгибания в основном направляющем рельсе. Отдельный сегмент 12 зубчатой рейки выполнен так, что он имеет Н-образное поперечное сечение, как показано, в частности, на фиг.5 и 6. Каждый сегмент 12 зубчатой рейки может, таким образом, рассматриваться как относительно короткая балка с Н-образным поперечным сечением, на фланцах которой расположены ряды зубьев 17, 18 так, что отдельный сегмент 12 зубчатой рейки и, таким образом, также зубчатая рейка 10, состоящая из сегментов зубчатой рейки, имеет зубья на двух параллельных сторонах. В варианте осуществления изобретения соединительная часть 6 выполнена в форме холостого колеса 20, с возможностью вращения установленного на горизонтальной оси 19. Холостое колесо 20 имеет периферию, которая как в радиальной, так и в боковых направлениях входит в контакт с сегментами 12 зубчатой рейки, которые находятся в соединительной направляющей части (фиг.4 и 6). Холостое колесо 20 имеет эластичное периферийное покрытие 21, которое движется, опираясь на перемычку балки 12 с Н-образным поперечным сечением (сегмента зубчатой рейки). Как показано на фиг. 9, две зубчатые рейки 10, 11 прикреплены к грузовому ярму 22. Грузовое ярмо 22 опирается на зубчатые рейки 10, 11, расположенные в двух параллельных вертикальных основных направляющих рельсах 4, 5, при помощи пригодных удлиненных опорных элементов 23, 24 и будет, таким образом, способно подниматься и опускаться благодаря соответствующему движению двух зубчатых реек 10, 11 в соответствующих направляющих. Для движения зубчатых реек 10, 11 применен приводной механизм 25, включающий множество приводных двигателей с соединенными с ними приводными зубчатыми колесами, которые входят в зацепление с зубьями 17, 18 на сегментах 12, 13 зубчатых реек. Приводной механизм 25 включает всего шестнадцать приводных двигателей – по восемь приводных двигателей на каждую зубчатую рейку – однако, для наглядности на фиг.4 и 9 показаны только два нижних приводных двигателя 14, 15, расположенных на одной стороне зубчатой рейки 10. На фиг.4 показаны два приводных двигателя 14, 15, каждый из которых приводит в движение приводное зубчатое колесо 26 и 27 соответственно, которое имеет приводное зацепление с зубьями 18 на сегментах 12 зубчатой рейки 10. Эти приводные зубчатые колеса 26, 27, таким образом, воздействуют на одну из длинных сторон зубчатой рейки 10. Подобным образом, приводное зубчатое колесо 28, прикрепленное к непоказанным приводным двигателям, расположено на противоположной вертикальной стороне зубчатой рейки 10 с приводным зацеплением с зубьями 17, как показано на фиг.5. Зубчатое колесо 29 удерживается в зацеплении с приводным зубчатым колесом 27. Это зубчатое колесо 29 имеет приводное соединение при помощи промежуточного карданного вала 30 с зубчатым колесом 31, которое удерживается в приводном зацеплении с зубьями 18 на зубчатой рейке 10 в магазинном направляющем рельсе 5. Опорные средства соответствующих приводных зубчатых колес и зубчатых колес только обозначены на фиг.4, но следует понимать, что эти приводные зубчатые колеса и зубчатые колеса поддерживаются пригодным способом в конструкции 2 буровой вышки. Конечно, то же самое относится к соответствующим приводным двигателям в приводном механизме 25. Подобное зубчатое колесо 29 и зубчатое колесо 31 расположены на другой стороне зубчатой рейки 10, находясь в зацеплении с приводным зубчатым колесом и зубьями 17 на зубчатой рейке 10 соответственно. Устройство зубчатых колес 29, 31 и соединяющего их промежуточного карданного вала 30 служит для обеспечения синхронизированного движения сегмента 12 зубчатой рейки. Холостое колесо 20 поддерживается с возможностью вращения при помощи его оси 19 в опорах 32 с регулируемым положением таким образом, что холостое колесо 20 может регулироваться по вертикали для получения, таким образом, необходимого регулирования натяжения цепи сегментов зубчатой рейки в соединительной направляющей части 6. Регулирование положения двух опор 32 здесь лишь обозначено, но оно может легко выполняться просто при помощи известных средств натяжения типа гайка/болт. При помощи приводного механизма 25, то есть при помощи показанных двигателей 14, 15 и других подобных двигателей, которые не описаны более подробно, зубчатые рейки 10, 11 могут, таким образом, двигаться вверх и вниз в соответствующих основных направляющих рельсах 4, 7 для подъема и опускания грузового ярма 22 (фиг.9). Грузовое ярмо 22 может, при необходимости, опираться непосредственно на зубчатые рейки 10, 11, то есть без удлиненных опорных элементов 23, 24, и грузовое ярмо 22 может свободно лежать на зубчатых рейках 10, 11 или соединяться с ними так, что движение зубчатых реек 10, 11 в основных направляющих рельсах 4, 7 вниз может использоваться, например, для сжатия колонны труб при помощи грузового ярма. В варианте осуществления изобретения приводной механизм 25 включает множество гидравлических двигателей 50 (и указанных электродвигателей 14, 15) и таким образом легко получит систему компенсации качки, что важно для случаев с плавучими буровыми платформами. Гидравлические двигатели 50 приводного механизма 25 соединены (не показано) с гидравлической аккумулирующей системой, которая включает питательный насос низкого давления. Система в этом случае будет функционировать таким образом, что, когда груз на подъемнике (в грузовом ярме 22) движется вниз, гидравлические двигатели 50 будут работать как насосы и заряжать аккумулятор или аккумуляторы (не показано). Когда груз на подъемнике движется вверх, гидравлические двигатели будут работать в режиме подъема, при этом они получают энергию от аккумуляторов. Когда грузы опускаются, электрические двигатели 14, 15 могут использоваться как приводные двигатели для перемещения грузового ярма 22 вниз и, таким образом, для зарядки аккумуляторов. Два основных направляющих рельса 4, 7, как показано на фиг. 3, имеют С-образную конфигурацию в поперечном сечении с отверстием для концов грузового ярма, но в самой нижней части буровой вышки, вблизи приводного механизма 25 и в соединительных частях 6, 13, выполнены перекрытия, и это можно видеть на фиг.5 и 6. В области, расположенной вблизи приводных зубчатых колес 26, 27, рельс 4 выполнен так, что он имеет подходящие отверстия 33, 34 для приводных зубчатых колес, благодаря чему они могут входить в этой области в приводное зацепление с зубьями 17, 18 на сегментах 12 зубчатой рейки. Это же относится к зубчатым колесам 21 на магазинных направляющих рельсах 5, 8. Как отмечалось, над приводным механизмом 25 основные направляющие рельсы 4, 7 имеют С-обраэную конфигурацию поперечного сечения, как показано на фиг. 3, а также на фиг.7 и 8. Скользящие поверхности в соответствующем основном направляющем рельсе 4, 7 взаимодействуют со скользящими поверхностями сегментов 12, 13 зубчатой рейки, и в большинстве случаев будет желательно защитить внутреннее пространство в основных направляющих рельсах так, чтобы скользящие поверхности не подвергались нежелательному воздействию окружающей среды. Такая защита направляющих может быть получена применением брезентовых элементов, которые покрывают открытые направляющие дорожки 35 в основных направляющих рельсах. Брезентовый элемент 36 этого типа показан на фиг.7 и 8. Брезентовый элемент 36 имеет заделанные в него магнитные частицы, и на основном направляющем рельсе 4 установлены магниты (не показаны), которые будут удерживать брезентовый элемент 36 на месте на основном направляющем рельсе 4 так, что брезентовый элемент закрывает направляющую дорожку или паз 35, который служит для помещения соответствующего конца грузового ярма 33 в рельс 4 таким образом, что грузовое ярмо управляется в буровой вышке и входит в контакт с зубчатыми рейками 10, 11. Конец грузового ярма 22 на фиг. 7 и 8 обозначен ссылочным номером 37. Как показано на фиг.7 и 8, на грузовом ярме расположены ролики 38, 39, 40, 41, которые попарно взаимодействуют с брезентовым элементом 36 и отводят его от рельса 4 или помещают вновь на место при движении грузового ярма вдоль рельса 4. Как показано, ролики расположены так, что брезентовый элемент 36 направляется от рельса 4 в паз 42 в грузовом ярме 22. Над грузовым ярмом и под ним брезентовый элемент 36 будет примыкать к рельсу 4 и закрывать внутреннее пространство в рельсе. Формула изобретения
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
