RU2011786C1

RU2011786C1 - Swivel

Info

Publication number: RU2011786C1
Authority: RU
Inventors: С.А. Прищепа
Original assignee: Акционерное общество открытого типа "Уральский завод тяжелого машиностроения"
Priority date: 1991-07-22
Filing date: 1991-07-22
Publication date: 1994-04-30

Abstract

FIELD: drilling equipment. SUBSTANCE: the swivel has a body accommodating a rotating hollow barrel, cover and feeder that are motionless relative to the body, as well as an outlet pipe connection between the barrel and feeder consisting of a pipe and two packs of sealing collars located in rotating and non-rotating sleeves, antifriction bearing with a cage; the bearing inner race is installed on the rotating sleeve of the outlet pipe connection, the bearing outer race is installed in the non-rotating sleeve, the cage has a cut-out, rigidly fixed on the pipe is a disk carrying at least one dog, the dog is passed through the cut-out in the cage and has a cut in the point of contact with the disk, the disk is made in the form of two half-yokes rigidly enveloping the pipe; the half-yokes have through holes and cuts coming in contact with the cuts on the dogs. EFFECT: facilitated procedure. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к буровой технике, в частности к вертлюгам буровых установок. The invention relates to drilling equipment, in particular to swivels of drilling rigs.

Известен вертлюг, включающий корпус с расположенным внутри него вращающимся полым стволом, неподвижные относительно корпуса крышку и подвод, а также промежуточное соединение между стволом и подводом, состоящее из трубы и двух комплектов уплотнительных манжет, размещенных во вращающемся и невращающемся стаканах [1] . Недостатком известного вертлюга является невысокая надежность из-за интенсивного износа трубы и уплотнительных манжет в условиях строительства нефтяных и газовых скважин глубиной свыше 3000 м. Known swivel, comprising a housing with a rotating hollow barrel located inside it, a cover and a supply fixed relative to the body, and an intermediate connection between the barrel and the supply, consisting of a pipe and two sets of sealing cuffs located in a rotating and non-rotating cups [1]. A disadvantage of the known swivel is its low reliability due to intensive wear of the pipe and sealing cuffs in the conditions of construction of oil and gas wells with a depth of more than 3000 m.

Известен также вертлюг [2] , включающий корпус с расположенным внутри него вращающимся полым стволом, неподвижные относительно корпуса крышку и подвод, а также промежуточное соединение между стволом и подводом, состоящее из трубы и двух комплектов уплотнительных манжет, размещенных во вращающемся и невращающемся стаканах, причем на трубе при помощи хомута закреплен сухарь-переключатель. Указанный известный вертлюг принят за прототип. A swivel [2] is also known, including a housing with a rotating hollow barrel located inside it, a cover and a supply fixed relative to the body, and an intermediate connection between the barrel and the supply, consisting of a pipe and two sets of sealing cuffs located in a rotating and non-rotating glasses, a cracker switch is fixed to the pipe with a clamp. The specified well-known swivel adopted as a prototype.

Известное техническое решение [2] , внедренное в вертлюгах, серийно выпускаемых ПО "Уралмаш", позволило повысить показатели надежности и долговечности вертлюга за счет последовательной отработки двух комплектов уплотнительных манжет промежуточного соединения, а также его трубы - с двух сторон с одновременным улучшением условий для самоустановки трубы относительно пакетов уплотнительных манжет при работе вертлюга. Кроме того была уменьшена масса промежуточного соединения, которое должно обладать свойством быстросъемности согласно требованиям технологии строительства скважины. Во время промышленных испытаний (1978 г. ) известного вертлюга была сформулирована задача для дальнейшего его усовершенствования: включить в работу одновременно оба комплекта уплотнительных манжет путем приведения во вращение трубы промежуточного соединения с заданной частотой, меньшей частоты вращения ствола, в том же направлении, без нарушения способности трубы самоустанавливаться относительно пакетов уплотнительных манжет и без существенного увеличения массы промежуточного соединения. В результате снижения относительной линейной скорости скольжения в зоне трения трубы и уплотнительных манжет примерно в два раза ожидается увеличение показателей надежности и долговечности промежуточного соединения вертлюга не менее, чем в 1,5 раза по сравнению с аналогичными показателями серийного вертлюга, включающего известное техническое решение [2] . The well-known technical solution [2], implemented in swivels, commercially available from Uralmash software, made it possible to increase the reliability and durability of the swivel by sequentially working out two sets of sealing collars of the intermediate joint, as well as its pipe, from both sides while improving the conditions for self-installation pipes relative to packages of sealing cuffs during swivel operation. In addition, the mass of the intermediate compound was reduced, which should have the ability to quickly detach according to the requirements of well construction technology. During the industrial tests (1978) of the well-known swivel, the task was formulated for its further improvement: to turn on both sets of sealing cuffs at the same time by rotating the pipe of the intermediate joint with a given frequency, lower than the barrel speed, in the same direction, without breaking the ability of the pipe to self-install relative to the packages of sealing collars and without a significant increase in the mass of the intermediate connection. As a result of a decrease in the relative linear sliding velocity in the friction zone of the pipe and sealing cuffs by about a factor of two, an increase in the reliability and durability of the intermediate swivel joint is expected to be no less than 1.5 times higher than the corresponding parameters of the serial swivel, including the well-known technical solution [2 ].

Техническое решение согласно заявке N 4733931/03/114507 от 04.09.89 г. можно считать первым известным подходом к решению указанной задачи. Недостатком указанного известного технического решения является то, что в нем достигается уменьшение относительной линейной скорости скольжения в зоне трения манжет и вкладыша, выполняющего функцию сепаратора упорного шарикоподшипника, но не манжет и трубы (напорного патрубка) промежуточного соединения, которая в данном устройстве на входит в состав пары трения и выполняет функцию дистанционного патрубка. Вызывает также сомнение работоспособность самоуплотняющихся У-образных манжет в качестве торцового уплотнения подвижного соединения даже при малом избыточном давлении и, соответственно, всего устройства. The technical solution according to the application N 4733931/03/114507 of 09/04/89 can be considered the first known approach to solving this problem. The disadvantage of this known technical solution is that it achieves a decrease in the relative linear sliding speed in the friction zone of the cuffs and the liner, which acts as a cage of the thrust ball bearing, but not the cuffs and pipes (pressure pipe) of the intermediate connection, which in this device is not included friction pairs and performs the function of a remote pipe. The operability of self-sealing U-shaped cuffs as a mechanical seal of a movable joint even at low overpressure and, accordingly, the entire device is also doubtful.

Цель изобретения - увеличение надежности и долговечности вертлюга за счет повышения надежности и долговечности его промежуточного соединения без существенного увеличения массы последнего. The purpose of the invention is to increase the reliability and durability of the swivel by increasing the reliability and durability of its intermediate connection without a significant increase in the mass of the latter.

Цель достигается тем, что вертлюг, включающий корпус с расположенным внутри него вращающимся полым стволом, неподвижные относительно корпуса крышку и подвод, а также промежуточное соединение между стволом и подводом, состоящее из трубы и двух пакетов уплотнительных манжет, распложенных во вращающемся и невращающемся стаканах, снабжен подшипником качения с сепаратором, тугое кольцо подшипника установлено на вращающемся стакане промежуточного соединения, свободное кольцо подшипника установлено на одной из невращающихся деталей вертлюга, в сепараторе подшипника выполнен вырез, на трубе жестко зафиксирован диск, несущий один поводок или более, причем поводок (поводки) пропущен через вырез в сепараторе, установлен с зазорами по отношению к тугому и свободному кольцам подшипника с возможностью контакта с сепаратором в тангенциальном направлении и зафиксирован от проворота относительно своей оси, труба и вращающийся стакан промежуточного соединения установлены с возможностью относительного перемещения в осевом направлении, в стенках вращающегося и невращающегося стаканов промежуточного соединения выполнены сквозные отверстия, кроме того поводок (поводки) снабжен срезом в месте контакта с диском, диск выполнен в виде двух полухомутов, жестко охватывающих трубу, причем полухомуты снабжены сквозными отверстиями и срезами, контактирующими со срезами на поводках. The goal is achieved in that the swivel, comprising a housing with a rotating hollow barrel located inside it, a lid and an inlet fixed relative to the housing, as well as an intermediate connection between the barrel and the inlet, consisting of a pipe and two packs of sealing cuffs located in a rotating and non-rotating cups, is equipped with a rolling bearing with a cage, a tight bearing ring mounted on a rotating cup of an intermediate joint, a loose bearing ring mounted on one of the non-rotating parts I turn ha, a cutout is made in the bearing cage, a disk is rigidly fixed on the pipe carrying one or more leashes, the leash (s) being passed through the cutout in the cage, installed with gaps in relation to the tight and free bearing rings with the possibility of contact with the cage in the tangential direction and fixed from rotation about its axis, the pipe and the rotating cup of the intermediate connection are installed with the possibility of relative movement in the axial direction, in the walls of the rotating and non-rotating stack Through holes of the intermediate connection, through holes are made, in addition, the lead (s) is equipped with a cut at the point of contact with the disk, the disk is made in the form of two half-clamps rigidly covering the pipe, and the half-clamps are equipped with through holes and sections in contact with the slices on the leads.

В сравнении с прототипом заявляемое техническое решение обладает новизной. In comparison with the prototype of the claimed technical solution has novelty.

При сравнении заявляемого вертлюга с другими техническими решениями в данной области техники не были выявлены признаки, сходные с существенными отличительными признаками заявляемого технического решения, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "Существенные отличия". When comparing the inventive swivel with other technical solutions in the art, no signs were found that are similar to the essential distinguishing features of the claimed technical solution, which allows us to conclude that it meets the criterion of "Significant differences".

На фиг. 1 изображен вертлюг с промежуточным соединением; на фиг. 2 - узел I на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - разрез Б-Б на фиг. 2. In FIG. 1 shows a swivel with an intermediate connection; in FIG. 2 - node I in FIG. 1; in FIG. 3 is a section AA in FIG. 2; in FIG. 4 is a section BB in FIG. 2.

Вертлюг (фиг. 1) включает корпус 1, вращающийся полый ствол 2, установленный в корпусе на подшипниках 3 и 4, неподвижные относительно корпуса крышку 5 и подвод 6, а также промежуточное соединение 7 между стволом 2 и подводом 6. The swivel (Fig. 1) includes a housing 1, a rotating hollow barrel 2 mounted in the housing on bearings 3 and 4, a cover 5 and a supply 6, which are stationary relative to the housing, as well as an intermediate connection 7 between the barrel 2 and the supply 6.

Промежуточное соединение 7 (фиг. 2) состоит из трубы 8, двух пакетов уплотнительных манжет 9, размещенных во вращающемся 10 и невращающемся 11 стаканах, накидных гаек 12 и подшипника 13. Для уменьшения биения вращающихся деталей промежуточного соединения 7 относительно оси вращения ствола 2 стакан 10 установлен на посадочном пояске 14 и зафиксирован накидной гайкой 12. Стакан 11 жестко соединен с неподвижным подводом 6 при помощи полуколец 15 и накидной гайки 12. Тугое кольцо 16 подшипника установлено на вращающемся стакане 10, свободное кольцо 17 подшипника установлено в выточке стакана 11. The intermediate connection 7 (Fig. 2) consists of a pipe 8, two packs of sealing cuffs 9 located in a rotating 10 and non-rotating 11 cups, union nuts 12 and a bearing 13. To reduce the runout of the rotating parts of the intermediate joint 7 relative to the axis of rotation of the barrel 2, the cup 10 mounted on the landing belt 14 and secured with a union nut 12. The cup 11 is rigidly connected to the fixed supply 6 using half rings 15 and the union nut 12. A tight bearing ring 16 is mounted on the rotating cup 10, the free ring 17 of the bearing installed in the undercut of the glass 11.

В стенках стаканов 10 и 11 выполнены сквозные отверстия соответственно 18 и 19. Зазоры в и г обеспечивают возможность перемещения стакана 10 относительно трубы 8 в осевом направлении при монтаже и демонтаже промежуточного соединения. Through the holes 18 and 19 are made in the walls of the cups 10 and 11. The gaps c and d provide the possibility of moving the cup 10 relative to the pipe 8 in the axial direction during installation and dismantling of the intermediate connection.

На трубе 8 жестко закреплен диск 20, поводок 21 установлен на диске 20 с возможностью контакта с сепаратором 22 подшипника 13 в тангенциальном направлении. С этой целью из подшипника 13 извлечено одно тело 23 качения (или более), в сепараторе 22 выполнен вырез (вырезы) 24 (фиг. 3) радиусом R и через вырез пропущен поводок 21 с зазорами по отношению к тугому 16 и свободному 17 кольцам подшипника. Сечение поводка 21 в месте контакта с сепаратором 22 подшипника представляет собой часть круга диаметром d, ограниченного хордой. Величина диаметра d связана с величиной радиуса R зависимостью: 0,9 R ≅ d/2 ≅ 0,95 R, причем центр радиуса R и ось поводка 21 расположены на среднем диаметре подшипника и совпадают с осью тела 23 качения. Поводок 21 (фиг. 4) зафиксирован от проворота относительно своей оси при помощи среза 25, контактирующего со срезом 26 на диске 20. A disk 20 is rigidly fixed to the pipe 8, the lead 21 is mounted on the disk 20 with the possibility of contact with the separator 22 of the bearing 13 in the tangential direction. For this purpose, one rolling element 23 (or more) was removed from the bearing 13, a cutout (cutouts) 24 (Fig. 3) of radius R was made in the separator 22, and a lead 21 was passed through the cutout with clearances relative to the tight 16 and free 17 bearing rings . The cross section of the leash 21 at the point of contact with the bearing cage 22 is a part of a circle of diameter d bounded by a chord. The magnitude of the diameter d is related to the magnitude of the radius R by the dependence: 0.9 R ≅ d / 2 ≅ 0.95 R, and the center of the radius R and the axis of the leash 21 are located on the average diameter of the bearing and coincide with the axis of the rolling body 23. The leash 21 (Fig. 4) is fixed from rotation about its axis by means of a cut 25 in contact with a cut 26 on the disk 20.

Диск 20 выполнен в виде двух полухомутов 27 и 28, жестко охватывающих трубу 8 за счет осевого усилия резьбовых соединений 29. В каждом из полухомутов 27 и 28 выполнены сквозные отверстия 30 для монтажа одного или двух поводков. The disk 20 is made in the form of two half-clamps 27 and 28, rigidly covering the pipe 8 due to the axial force of the threaded connections 29. In each of the half-clamps 27 and 28, through holes 30 are made for mounting one or two leads.

Вертлюг работает следующим образом. Swivel works as follows.

Для пуска в работу вертлюг устанавливается на талевой системе буровой установки. Подвод 6 (фиг. 1) соединяется с источником промывочной жидкости, к стволу 2 присоединяется бурильная колонна, которой сообщается вращение, например, с частотой 1,5 об/с. To put into operation, the swivel is installed on the tackle system of the drilling rig. The supply 6 (Fig. 1) is connected to a source of flushing fluid, a drill string is connected to the barrel 2, which is communicated with rotation, for example, with a frequency of 1.5 r / s.

Вместе со стволом получают вращение стакан 10 (фиг. 2) и тугое кольцо 16 подшипника 13, жестко смонтированные на стволе 2. Тела 23 качения подшипника, перекатываясь по дорожкам качения тугого и свободного колец подшипника, приведут во вращение сепаратор 22 подшипника с частотой, меньшей частоты вращения ствола, и в том же направлении. Так, при вращении ствола 2 с частотой 1,5 об/с сепаратор 22 подшипника получит вращение с частотой 1 об/с. Together with the barrel, the cup 10 (Fig. 2) and the tight ring 16 of the bearing 13 are rigidly mounted on the barrel 2. The bodies 23 of the bearing rolling along the raceways of the tight and free bearing rings will rotate the bearing cage 22 with a frequency less than rotational speed of the barrel, and in the same direction. So, when the rotation of the barrel 2 with a frequency of 1.5 r / s, the bearing cage 22 will receive rotation with a frequency of 1 r / s.

Труба 8, связанная с сепаратором 22 подшипника при помощи поводка 21 и диска 20, также получит вращение, совпадающее с вращением ствола по направлению и с меньшей частотой. При этом благодаря отсутствию постоянных радиальных нагрузок в сопряжениях промежуточного соединения сохраняются условиях для самоустановки трубы 8 по отношению к пакету уплотнительных манжет 9, размещенному во вращающемся стакане 10. Отверстия 18 и 19, выполненные в стенках стаканов 10 и 11, служат для отвода от подшипника 13 естественных утечек промывочной жидкости через уплотняемые зазоры в подвижных соединениях. The pipe 8, connected to the bearing cage 22 using a leash 21 and a disk 20, will also receive a rotation that coincides with the rotation of the barrel in the direction and with a lower frequency. In this case, due to the absence of constant radial loads in the interfaces of the intermediate connection, the conditions for self-installation of the pipe 8 with respect to the package of sealing cuffs 9 located in the rotating cup 10 are preserved. The holes 18 and 19 made in the walls of the cups 10 and 11 are used to divert from the bearing 13 natural leaks of flushing fluid through sealed gaps in movable joints.

При работе вертлюга биение стакана 10 по отношению к неподвижному стакану 11, обусловленное биением посадочного пояска 14 относительно оси вращения ствола 2, вызовет появление радиальной нагрузки волнообразного характеpа на подшипник 13. При вертикальном расположении оси промежуточного соединения и одинаковых пакетах уплотнительных манжет 9, размещенных в стаканах 10 и 11, волнообразный характер приложения нагрузки на подшипник 13 будет способствовать выравниванию относительной линейной скорости скольжения в зоне трения трубы и уплотнительных манжет, размещенных в стаканах 10 и 11, за счет проскальзывания тел 23 качения подшипника 13. When the swivel is operating, the beating of the cup 10 with respect to the stationary cup 11, caused by the beating of the landing belt 14 relative to the axis of rotation of the barrel 2, will cause the appearance of a radial load of a wave-like nature on the bearing 13. With a vertical arrangement of the axis of the intermediate joint and identical packages of sealing cuffs 9 located in the cups 10 and 11, the undulating nature of the application of the load on the bearing 13 will help to equalize the relative linear sliding speed in the friction zone of the pipe and seal cuffs placed in the cups 10 and 11, due to the slip of the rolling bodies 23 of the bearing 13.

Снижение относительной линейной скорости скольжения в зоне трения трубы и уплотнительных манжет примерно в два раза позволит увеличить показатели надежности и долговечности промежуточного соединения вертлюга не менее, чем в 1,5 раза по сравнению с аналогичными показателями серийного вертлюга, выпускаемого ПО "Уралмаш". A decrease in the relative linear sliding speed in the friction zone of the pipe and sealing cuffs by about two times will increase the reliability and durability of the intermediate swivel connection by at least 1.5 times compared with the same performance of the serial swivel manufactured by Uralmash.

Таким образом, заявляемое техническое решение позволит увеличить показатели надежности и долговечности вертлюга за счет повышения надежности и долговечности его промежуточного соединения. Экономический эффект в народном хозяйстве от использования предлагаемого изобретения будет складываться за счет соответствующего снижения эксплуатационных расходов бурового предприятия. Thus, the claimed technical solution will increase the reliability and durability of the swivel by increasing the reliability and durability of its intermediate connection. The economic effect in the national economy from the use of the invention will be due to a corresponding reduction in the operating costs of the drilling enterprise.

Операция по замене изношенного промежуточного соединения вертлюга выполняется во время наращивания бурильной колонны, когда вертлюг с ведущей трубой демонтируются с талевой системы и устанавливаются в шурф, при том промежуточное соединение вертлюга располагается на высоте 2,5 м. Обслуживание вертлюга сопряжено с подъемом человека на высоту по переносной лестнице с соответствующим перемещением на высоту узлов промежуточного соединения и инструмента в условиях загрязнения пола на рабочем площадке буровым раствором, нефтепродуктами или его обледенения. Поэтому повышение надежности и долговечности вертлюга позволит улучшить условия безопасности обслуживания бурового оборудования, снизить интенсивность труда персонала, работающего в полевых условиях, будет способствовать повышению культуры труда и привлекательности профессии буровика. The operation to replace the worn intermediate swivel joint is performed during the extension of the drill string, when the swivel with the lead pipe is dismantled from the tackle system and installed in the pit, while the intermediate swivel joint is located at a height of 2.5 m. Swivel maintenance is associated with lifting a person to a height of portable ladder with appropriate movement to the height of the nodes of the intermediate connection and the tool in the conditions of floor contamination at the working site with drilling mud, oil products and its icing. Therefore, increasing the reliability and durability of the swivel will improve the safety conditions for servicing drilling equipment, reduce the labor intensity of personnel working in the field, and will enhance the working culture and attractiveness of the drilling profession.

Claims

1. A SWIVEL, including a housing with a lid, mounted in the housing rotatably relative to the latter, a hollow barrel, an inlet fixed to the lid, a discharge nozzle located in the lid, connected to the inlet and the barrel by means of the upper and lower sealing units, each of which consists of a glass and a package of sealing elements, and a disk with a locking element fixed to the pressure pipe, characterized in that it is equipped with a rolling bearing with a separator in which the cutout is made, while the inner ring the dog-rose is mounted on the cup of the lower sealing assembly, and the outer ring of the bearing is installed in the cup of the upper sealing assembly, and the locking element of the disk is made in the form of at least one leash fixed from rotation relative to the disk, which is passed through a cutout in the separator and placed with a gap between the inner and outer rings of the bearing, while the discharge pipe is mounted with the possibility of axial movement relative to the glass of the lower sealing unit.

2. The swivel according to claim 1, characterized in that each leash is made with a slice at the point of contact with the disk.

3. Swivel according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that the disk is made in the form of rigidly covering the discharge pipe of two half-clamps, which have through holes with slices for interaction with slices on leashes.

4. The swivel according to claim 1, characterized in that through holes are made in the walls of the glasses of the upper and lower sealing units.