Вращатель представляет собой редуктор, передающий вращение от вала в горизонтальной плоскости шпинделю или ведущей трубе, расположенному в вертикальной или наклонной плоскости. Вращатель предназначен для передачи крутящего момента непосредственно колонне бурильных труб. Этот крутящий момент должен передаваться вращателем со скоростями, обусловленными типоразмером бурового наконечника и режимом его работы.

Вращатели буровых станков для бурения геологоразведочных и геотехнологических скважин представляют собой, как правило, конические редукторы, зубчатые колёса которых имеют прямые, круговые или косые зубья.

Для обеспечения производительной работы бурового станка вращатель должен отвечать следующим требованиям:

• обеспечение крутящего момента, достаточного для бурения скважин во всём диапазоне глубин и диаметров, предусмотренных технической характеристикой станка;
• наличие достаточного диапазона частоты вращения и возможности её регулирования;
• возможность подъёма бурового снаряда с вращением;
• возможность наращивания бурильной колонны без отрыва породоразрушающего инструмента (ПРИ) от забоя скважины;
• применение различных типов ПРИ;
• возможность бурения наклонных скважин;
• наличие реверса;
• компактность и малый вес;
• малые трудозатраты при его обслуживании и т.д.

В зависимости от конструктивного исполнения вращатели разделяют на три типа: шпиндельные, роторные и подвижные.

Шпиндельные вращатели применяют в буровых станках, предназначенных для бурения скважин в крепких горных породах при разведке твёрдых полезных ископаемых. Он передаёт колонне бурильныхтруб и крутящий момент, и осевую нагрузку. Шпиндельный вращатель позволяет бурить скважины под различными углами наклона вплоть до восстающих. По типу сочленения шпиндельных вращателей со станком они делятся на разъёмные и неразъёмные (последние обеспечивают лучшие условия смазки). Освобождение устья скважины осуществляется путём откидывания вращателя на шарнире или отодвигания всего станка от скважины с помощью зубчатой рейки или гидроцилиндров.

Шпиндельные вращатели находят широкое применение в установках для алмазного бурения скважин малого диаметра в геологических разрезах, представленных твёрдыми и средней твёрдости горными породами. Его преимущества – компактность и простота конструктивной увязки шпинделя с механизмом подачи и, как следствие этого, возможность бурения под различными углами к горизонту. Технологические возможности шпиндельного вращателя полностью удовлетворяют требованиям колонкового бурения в твёрдых породах: наращивание бурильной колонны без отрыва снаряда от забоя, что повышает ресурс алмазных коронок и увеличивает выход керна. Основной недостаток шпиндельных вращателей – небольшая длина хода подачи (0,4 – 0,6 м). Необходимость частых перекреплений патронов при бурении в мягких горных породах существенно снижает скорость бурения и уменьшает выход керна.

Максимальная величина непрерывного осевого перемещения колонны бурильных труб определяется рабочей длиной шпинделя, называемой «ходом шпинделя». Для продолжения осевого перемещения колонны необходимо осуществить осевое перемещение шпинделя вверх. При этом зажимные патроны раскрепляются, и шпиндель перемещается в верхнее исходное положение с последующим закреплением патронов. Осевое перемещение шпинделя осуществляется с помощью механизма подачи.

В современных буровых станках применяются шлицевые или шестигранные шпиндели. Предпочтение отдаётся шлицевым шпинделям, которые легко балансируются и обеспечивают устойчивую работу при высоких частотах вращения бурового снаряда без вибраций, однако они сложны в изготовлении и ремонте. Шестигранные шпиндели обеспечивают передачу больших крутящих моментов, но не способны устойчиво работать при высоких числах оборотов.

У некоторых серийно выпускаемых буровых станков (ЗИФ-650М, ЗИФ-1200МР, УКБ-50/100, УКБ-200/300) на верхнем конце шпинделя устанавливается гидравлический зажимной патрон, а на нижнем – механический, который применяется в аварийных ситуациях для более надёжного соединения шпинделя с бурильной колонной, а также при работе с ведущей трубой фигурного сечения.

Роторные вращатели применяются обычно в буровых установках для бурения вертикальных скважин в преимущественно мягких и средней твердости породах, где имеет место высокая механическая скорость бурения. Роторные вращатели предназначены для передачи вращения колонне бурильных труб и поддержания на весу обсадных труб и бурового инструмента при спуско-подъемных операциях. Кроме того, при бурении с забойными двигателями (турбобуры, электробуры, винтовые двигатели) ротор воспринимает реактивный крутящий момент.

Основными элементами роторного вращателя являются: стол ротора 1, угловой конический редуктор 2, 3, фигурная приводная втулка (муфта) 4 и вкладыш 6. Вращение от коробки передач передается на приводной вал 5 и далее на шестерни углового редуктора 2, 3. Ведомая шестерня 3 жестко связана с приводной втулкой 4, которая имеет внутреннее фигурное отверстие (квадрат, шестигранник), соответствующее наружной поверхности вкладыша 6. Отверстие во вкладыше соответствует по форме наружной поверхности ведущей трубы 7 (квадрат, шестигранник и др.). Вращение от ведомой шестерни передается на приводную втулку и далее на вкладыш 6 и ведущую трубу 7, соединенную с колонной бурильных труб. К верхнему концу ведущей трубы присоединяется сальник-вертлюг, к нижнему концу – переходник на основную колонну бурильных труб.

Освобождение устья скважины при спуско-подъемных операциях осуществляется путем извлечения вкладыша 6. Нагрузка на забой создается весом бурового инструмента или специальных механизмов подачи.

Основными преимуществами вращателей роторного типа являются: простота конструкции, большой ход подачи, возможность передачи больших крутящих моментов. Ведущие трубы обеспечивают возможность углубки скважины без перекрепления на длину ведущей трубы (4,5 м и более), что особенно эффективно при бурении мягких пород.

Однако роторные вращатели имеют и недостатки. Так, при наращивании инструмента необходимо поднимать над забоем снаряд, что при колонковом бурении отрицательно сказывается на сохранности керна. Затруднена регулировка осевой нагрузки на ПРИ, а также создание достаточной осевой нагрузки при небольшой глубине скважины и больших диаметрах бурения.

Подвижные вращатели. Подвижными называются вращатели, имеющие возможность поступательного перемещения совместно с колонной бурильных труб вдоль заданной оси скважины. Подвижные вращатели представляют собой редуктор с выходным валом на колонну бурильных труб. Они успешно применяются на передвижных, самоходных и стационарных буровых установках. Достаточно широкое применение подвижных вращателей объясняется внедрением в практику бурового машиностроения индивидуального привода для отдельных механизмов бурового станка. Он состоит из приводной части, редуктора и шпинделя.

Привод подвижного вращателя может осуществляться двумя способами:

• с помощью приводного вала, получающего вращение от общей трансмиссии;
• от индивидуального двигателя, установленного на корпусе вращателя.

Привод подвижного вращателя от общей трансмиссии применяется на легких буровых станках, имеющих небольшой ход подачи. Современные станки с подвижным вращателем, предназначенные для бурения глубоких скважин, оснащают, как правило, индивидуальным приводом, что исключает вибрации, потери мощности на вращение тяжелого вала.

Основными параметрами вращателей являются: величина крутящего момента, диапазон изменения частоты вращения, число скоростей в диапазоне, диаметр проходного отверстия шпинделя, длина хода шпинделя, тип вращателя, приводная мощность.

Максимальная величина крутящего момента M_кр.max. на вращателе определяется номинальной мощностью двигателя N₀, минимальной частотой вращения n, коэффициентами перегрузки двигателя λ и полезного действия передач от вала двигателя до шпинделя η.

(1)

Такой крутящий момент передается бурильным трубам при бурении скважин большого диаметра, в аварийных ситуациях (прихват, прижог), при срыве керна и др. При нормальном процессе бурения величина крутящего момента, передаваемого вращателем на бурильные трубы, значительно меньше и определяется по формуле

(2)

(3)

где N_р.з. – мощность, затрачиваемая на разрушение забоя, кВт; N_в.б.г. – мощность на вращение колонны бурильных труб; n – частота вращения бурового снаряда, об/мин. Регулирование частоты вращения бурового инструмента внутри установленного диапазона может быть ступенчатым и бесступенчатым. Чем меньше скоростей имеет вращатель, тем выше недоиспользование мощности. Более полной реализации мощности силового привода можно достигнуть путем:

• увеличения числа скоростей коробки передач;
• применения сменных пар в кинематической цепи, что приведет к сдвигу всего диапазона скоростей (например: 100, 200, 300, 400 или 150, 250, 350, 450);
• применения плавно регулируемого привода.

Однако наличие большого числа скоростей в буровых станках вызывает усложнение их кинематических схем, повышение конструктивной сложности, увеличение веса и стоимости изготовления.

Оптимальное число скоростей вращения в рабочем диапазоне станков для бурения алмазным и твердосплавным ПРИ должно быть не менее 3–4. Кроме основных скоростей для ведения нормального процесса бурения потребуется 2–3 вспомогательных скорости (для приработки коронки, для бурения в осложненных условиях, сильно искривленных и многозабойных скважин). Таким образом, буровые станки алмазно–твердосплавного бурения должны иметь не менее шести скоростей вращения бурового инструмента.

Оптимальное число скоростей вращения в рабочем диапазоне станков для бурения алмазным и твердосплавным ПРИ должно быть не менее 3–4. Кроме основных скоростей для ведения нормального процесса бурения потребуется 2–3 вспомогательных скорости (для приработки коронки, для бурения в осложненных условиях, сильно искривленных и многозабойных скважин). Таким образом, буровые станки алмазно–твердосплавного бурения должны иметь не менее шести скоростей вращения бурового инструмента.

Оптимальные значения R для различных ПРИ и способов бурения

Породоразрушающий инструмент	Vmin, м/с	Vmax, м/с	nmin, об/мин	nmax, об/мин	R
Вращательный способ бурения:     твердосплавными коронками;     алмазными коронками	0,5 – 0,6 0,4 – 0,5	1,5 – 2,0 3,0 – 4,0	80 – 100 100 – 120	500 – 700 1000 – 1500	6 – 7 10 – 12
Ударный способ бурения: шарошечными долотами; твердосплавными коронками с гидро- и пневмоударниками	0,4 – 0,5 0,1 – 0,12	1,2 – 1,4 0,6 – 0,8	40 – 80 20 – 30	120 – 135 80 – 150	3 – 4 4 – 5
При шнековом бурении			70 – 80	180 – 200	2 – 2,5

В установках вращательного бурения гидрогеологических, инженерно–геологических и структурно-поисковых скважин при меньшем диапазоне регулирования частоты вращения потребуется иметь меньшее количество скоростей. Обычно оно не превышает 3–4.

Однако для вращателей буровых станков наиболее предпочтительны системы бесступенчатого регулирования, позволяющие работать в режиме полного использования мощности двигателя. При этом снижаются вибрации бурильной колонны вследствие плавного изменения скорости вращения, улучшаются условия приработки новых алмазных коронок, обеспечивается более легкая и быстрая настройка вращателя на оптимальный режим бурения. Плавнорегулируемый привод вращателя позволяет создавать автоматизированные системы управления буровым станком, автоматическую настройку на рациональные режимные параметры и др. Реализовать плавнорегулируемый привод можно при помощи регулируемых гидравлических, механических передач, применением регулируемых электродвигателей постоянного тока с теристорными преобразователями и асинхронных двигателей с преобразователями частоты и фазового регулирования скорости вращения.