Система верхнего привода¶

Система верхнего привода — это комплекс механизмов и устройств, предназначенный для передачи крутящего момента от двигателя к исполнительному органу, расположенному в верхней части конструкции, либо для вертикального перемещения оборудования. Наиболее широкое распространение термин получил в нефтегазовой отрасли, где обозначает верхний силовой вертлюг буровой установки, а также в станкостроении, металлургии и тяжёлом машиностроении.

В контексте бурового оборудования система верхнего привода (англ. Top Drive System, TDS) представляет собой механизм, который совмещает функции вертлюга, ротора и ведущей трубы. В отличие от классической схемы с вращающимся ротором, верхний привод крепится к талевому блоку и перемещается вместе с бурильной колонной по направляющим вышки, что позволяет наращивать трубы секциями по 27–28 метров вместо стандартных 9 метров.

¶Устройство и принцип работы

Основными элементами системы верхнего привода являются:

• электродвигатель (постоянного или переменного тока) с редуктором;
• полый вал, через который прокачивается буровой раствор;
• противовыбросовый предохранительный клапан;
• тормозная система;
• автоматический захват (элеватор) для работы со свечами;
• система управления и позиционирования.

Крутящий момент от двигателя через редуктор передаётся на полый шпиндель, соединённый с ведущей трубой или непосредственно с бурильной колонной. Вращение осуществляется без использования роторного стола, а осевая нагрузка передаётся через талевую систему. Управление производится оператором с пульта, что исключает ручной труд верхового рабочего.

¶Преимущества и недостатки

Внедрение верхнего привода в буровую практику обеспечило ряд существенных преимуществ:

• сокращение времени на спуско-подъёмные операции за счёт наращивания свечами;
• возможность вращения колонны при подъёме (расхаживание);
• улучшенный контроль над процессом бурения и точное позиционирование;
• снижение риска прихватов и аварий;
• повышение безопасности персонала (меньше ручных операций на буровой площадке).

К недостаткам относят высокую стоимость оборудования, сложность обслуживания, значительную массу (до 30 тонн), а также необходимость модернизации вышки и талевой системы для размещения тяжёлого узла.

¶Классификация

Системы верхнего привода классифицируются по типу привода:

• электрические — наиболее распространённые, используют частотно-регулируемые двигатели;
• гидравлические — применяются на буровых установках малой грузоподъёмности;
• дизель-гидравлические — для автономных установок.

По конструкции различают системы с интегрированным двигателем и с вынесенным приводом (через карданный вал). По грузоподъёмности верхние приводы могут рассчитаны на нагрузку от 125 до 1250 тонн.

¶История развития

Первые прототипы верхнего привода появились в конце XIX века, однако практическое применение началось в 1980-х годах. В 1982 году компания Varco (США) представила первую коммерчески успешную модель TDS-1. В СССР разработки велись в 1970-х, но серийное производство отечественных систем (например, УВБ-250) было налажено лишь в конце 1980-х. С 2000-х годов верхний привод стал стандартом для большинства буровых установок, особенно при бурении наклонно-направленных и горизонтальных скважин, включая бурение с гидроразрывом пласта.

¶Применение в других отраслях

В станкостроении система верхнего привода используется в радиально-сверлильных и вертикально-фрезерных станках для передачи вращения на шпиндель, расположенный над заготовкой. В металлургии — в механизмах подъёма и вращения крышек конвертеров. В краностроении верхним приводом называют механизм подъёма грузовой тележки, размещённый на мосту крана. В энергетике термин применяется к системам поворота лопастей ветрогенераторов, где привод размещён в гондоле (верхней части башни).

¶Современные тенденции

Современные системы верхнего привода оснащаются системами автоматизированного управления, датчиками крутящего момента и нагрузки, а также телеметрией для передачи данных на поверхность. Активно внедряются роботизированные комплексы, позволяющие полностью исключить человека из процесса наращивания труб. В России системы верхнего привода выпускаются предприятиями «Уралмаш НГО Холдинг» и «Волгограднефтемаш», а также используются на всех современных буровых установках.

¶Источники

• И. Н. Стрекалов, В. Ф. Буслаев. «Буровое оборудование: справочник». М.: Недра, 2003.
• А. Н. Дубовик. «Верхние приводы буровых установок: конструкция и эксплуатация». СПб.: Профессия, 2015.
• Материалы журнала «Бурение и нефть», 2018–2021.
• Патентная документация компании Varco (США), 1982–1990.