ЗАХВАТЫВАЮЩЕЕ БУРИЛЬНУЮ ШТАНГУ УСТРОЙСТВО
DRILL ROD GRIPPING APPARATUS

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к захватывающему бурильные штанги устройству, и буровой установке, выполненной с возможностью подачи штанг в бурильную колонну и извлечения их из нее и, в частности, хотя не исключительно, к захватывающему устройству, имеющему по меньшей мере одно средство зацепления с абразивной поверхностью для увеличения силы трения между бурильной штангой и захватывающим устройством.
Известный уровень техники
Разведочное бурение обычно представляет собой бурение в подземные горизонты с глубиной в тысячи метров. Соответственно, необходимо устанавливать и соединять следующие друг за другом секции из труб или штанг при продвижении бурильной колонны в скважину.
Бурильные штанги в зависимости от своей конкретной конфигурации, могут иметь массу от десяти до пятидесяти килограммов каждая и длину приблизительно от двух до трех метров. Обычно бурильные штанги соединяют между собой резьбовыми замковыми ниппелями и муфтами, которыми снабжены соответствующие концы штанги. Кроме того, обычно неизбежной является замена бурового долота или других инструментов, установленных на нижнем конце бурильной колонны, через определенные интервалы времени в процессе бурения. Способ такой замены включает в себя извлечение всей колонны из ствола скважины, замену самой нижней части и затем повторный спуск всей колонны, после которого бурение можно продолжить. На практикe, и в зависимости от условий в горной породе нередко выполняют от десяти до двадцати операций извлечения на одну скважину. Соответственно, очень большое число бурильных штанг требуется перемещать и в частности брать с транспорта или стеллажа хранения на буровую установку, где они располагаются в готовности для аксиального совмещения и соединения с бурильной колонной. Естественно, обратная операция также требуется во время извлечения колонны. Являющиеся примером системы работы со штангами описаны в патентах US 3043619; GB 2334270; публикациях WO 00/65193 и WO 2011/129760.
Система работы со штангами может обычно содержать роботизированную руку-манипулятор, имеющую захват, специально предназначенный для захвата бурильных штанг. Роботизированная рука-манипулятор выполнена с возможностью по ходу бурения брать бурильные штанги с транспорта или промежуточного носителя и устанавливать бурильную штангу на буровой установке, затем бурильная штанга соединяется с уже установленной бурильной штангой для наращивания колонны. Роботизированная рука-манипулятор выполнена с возможностью во время извлечения колонны брать отсоединенные штанги с буровой установки и помещать их обратно на транспорт или промежуточный носитель.
Для создания полностью автоматической системы, которая исключает необходимость регулярного вмешательства оператора, системе работы со штангами требуется функциональная возможность соединения бурильной штанги с установленными бурильными штангами и отсоединения бурильной штанги от них. Обычно концевая штанга бурильной колонны зацепляется установленным сзади захватным устройством, имеющим одно или множество средств зацепления штанги, по меньшей мере, одно из которых выполнено с возможностью приложения крутящего момента к штанге с помощью фрикционного контакта с наружной поверхностью штанги. Остальные штанги бурильной колонны удерживаются штангодержателем в переднем положении на буровой установке. Предпочтительным является увеличение фрикционного контакта между средствами зацепления штанги и штангой для обеспечения прочного удержания штанги и передачи достаточного крутящего момента для вращения штанги. Предпринимался ряд попыток для улучшения фрикционного контакта между захватным устройством и штангой, соответствующие примеры раскрыты в патентах US 5221099; CA 2459628 и US 2005/0188793. Вместе с тем, обычные средства зацепления штанги, как правило, имеют конструктивное исполнение для применения с штангой конкретного и заданного диаметра и/или выполнены не способными передавать крутящий момент для вращения штанги, но выполнены с возможностью только захватывать и удерживать штангу. Соответственно, существующие варианты либо демонстрируют не одинаковые показатели работы с штангами отличающихся диаметров или являются несовместимыми с захватным устройством, выполненным для скрепления и раскрепления штанг.
Соответственно, требуется захватывающее штангу устройство, которое решает данные проблемы.
Сущность изобретения
Одной задачей настоящего изобретения является создание захватывающего устройства скрепления и раскрепления и в частности буровой установки, выполненной для применения с подачей бурильных штанг на буровую установку и с нее с эффективным захватом штанги, обеспечивающим аксиальное перемещение и передачу вращательного привода на штангу или штанги различного наружного диаметра. Также конкретной задачей является создание захватывающего устройства, имеющего множество средств зацепления штанги, где по меньшей мере одно из средств зацепления штанги выполнено с возможностью поддержания плотного контакта со штангой и эффективной и высокопроизводительной передачи привода на штангу без потери или с минимальной потерей фрикционного контакта с наружной поверхностью штанги.
Цели достигаются созданием захватного устройства, имеющего раму, на которой закреплены аксиально скользящие салазки, имеющие пару губок с функциональной возможностью линейного бокового перемещения друг к другу и друг от друга и вокруг наружной поверхности штанги. Оптимизированный фрикционный контакт получают между штангой и установленными на губки средствами зацепления штанги посредством снабжения по меньшей мере одного из средств зацепления штанги абразивной, с высоким трением поверхностью. Изобретатели наблюдали, что зацепляющее устройство губок, в котором губки перемещаются перпендикулярно или поперечно продольной оси посредством бокового скользящего движения (отдельного от поворотного действия) является предпочтительным, поскольку центральная осевая линия взаимодействующих средств зацепления штанги (установленных на каждой губке) является постоянной для множества бурильных штанг, имеющих отличающиеся наружные диаметры. Посредством выполнения губок и средств зацепления штанги с функциональной возможностью перемещения к общей центральной осевой линии и от нее (независимого от диаметра штанги) фрикционный контакт между наружной поверхностью средства зацепления штанги и самой штанги можно оптимизировать посредством снабжения абразивной поверхностью по меньшей мере одного из средств зацепления штанги.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения создано захватывающее бурильные штанги устройство для захвата и приведения во вращение бурильной штанги, содержащее: раму, имеющую передний конец и задний конец, отнесенный от переднего конца в направлении продольной оси соответствующей оси бурильной штанги, когда последняя установлена на устройстве; салазки, установленные на раме посредством по меньшей мере одного крепления, выполненного с возможностью обеспечивать аксиальное перемещение салазок относительно рамы; первую и вторую губки, установленные на салазки с помощью соответствующих узлов крепления, обеспечивающих, по существу, линейное боковое перемещение первой и второй губок друг к другу и друг от друга в пределах салазок в направлении поперек или перпендикулярно продольной оси; множество средств зацепления штанги, установленных на каждой из первой и второй губок, причем по меньшей мере одно из средств зацепления штанги является вращающимся от приводного исполнительного механизма; при этом по меньшей мере одно из средств зацепления штанги содержит абразивную поверхность, увеличивающую силу трения между бурильной штангой и по меньшей мере одним средством зацепления штанги.
Ссылка в данном описании на «абразивную поверхность» относится к поверхности и поверхностному покрытию, имеющим высокий коэффициент трения, предпочтительно создаваемый внедренными зернистыми частицами на поверхности и/или покрытии. Зернистые частицы обычно содержат материал, более твердый, чем материал основания или подложки средства зацепления штанги и/или покрытия в которое зернистые частицы внедрены. Абразивная поверхность выполнена с возможностью увеличения силы трения между средством зацепления штанги и штангой с минимизацией при этом на поверхности отметок, царапин, задиров или повреждений штанги вследствие контакта. Настоящее покрытие является более твердым чем базовый материал корпуса средства зацепления штанги или подложки.
Предпочтительно, по меньшей мере одно крепление содержит пару удлиненных направляющих опор, установленных на раме и проходящих между передним концом и задним концом рамы, если необходимо, в виде валов, проходящих аксиально с каждой стороны и/или выше салазок.
Предпочтительно, соответствующий узлы крепления содержат устройства с шипом и пазом. Если необходимо, перемещение губок бок о бок может обеспечивать любой механизм, функционально предназначенный для линейного перемещения, включающий в себя тросы, шкивы, ремни, ходовые втулки, устройства с крюком и швеллером, устройства с винтовой резьбой (резьбовой штангой и муфтой), механические, пневматические, гидравлические или магнитные механизмы перемещения. Предпочтительно, устройство дополнительно содержит приводной механизм бокового перемещения первой и второй губки в направлении поперек или перпендикулярно продольной оси, причем приводной механизм содержит приводной исполнительный механизм. Предпочтительно, приводной исполнительный механизмом является гидравлическим или пневматическим цилиндром. Если необходимо, приводной исполнительный механизмом может являться электрическим двигателем.
Предпочтительно, приводной механизм содержит устройство реечной передачи, приводимое в действие приводным исполнительным механизмом.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит руку-манипулятор с исполнительным механизмом, шарнирно закрепленную на одном конце на раме и на противоположном конце на раме подачи буровой установки.
Предпочтительно, устройство дополнительно содержит соответствующий приводной исполнительный механизм, установленный на первой и второй губке для привода по меньшей мере одного средства зацепления штанги на каждой соответствующей первой губки и второй губки.
Предпочтительно, абразивная поверхность выполнена, как покрытие высокой твердости по меньшей мере на одном средстве зацепления штанги. Предпочтительно, покрытие содержит зернистые частицы, внедренные в покрытие, имеющие твердость выше, чем у покрытия и/или базового материала средства зацепления штанги. Если необходимо, зернистые частицы могут содержать любое одно или комбинацию материалов из следующей группы: алмаз; кремний; цирконий; вольфрам; карбид; карбид вольфрама карборунд; кубический нитрид бора; алмаз; стекло; керамика; корунд; кварц; титан; поликристаллический алмазный композит; природный алмаз.
Если необходимо, зернистые частицы могут содержать частицы со средним диаметром в диапазоне от 200 до 800 мкм. Если необходимо, абразивная поверхность может иметь показатель P-grade в диапазоне от P24 до P60 согласно международному стандарту European Federation of European Producers of Abrasives (FEPA).
Предпочтительно, средства зацепления штанги содержат два ролика, установленные соответственно на каждой из первой и второй губок. Предпочтительно, ролики выполнены, как цилиндры установленные вращающимися на осях. Если необходимо, цилиндры имеют аксиальную длину в диапазоне от 100 до 200 мм. Предпочтительно, абразивная поверхность выполнена на двух роликах, установленных на одной, первой или второй губке.
Согласно второму аспекту настоящего изобретения создана буровая установка, подающая штанги на бурильную колонну и с бурильной колонны, содержащая: раму подачи; вращающий блок, установленный на раме подачи, обеспечивающий вращательным приводом бурильную колонну; штангодержатель, закрепляющий концевую зону бурильной колонны; захватывающее устройство, заявленное в данном документе; и перемещающее устройство, на котором крепится захватывающее устройство на раме подачи для перемещения захватывающего устройства из положения приема штанги в положение соединения штанги на буровой установке так, что штанга выставляется соосно с бурильной колонной в положении соединения штанги.
Предпочтительно, штангодержатель установлен на несущей раме, если необходимо, установленной параллельно основной раме подачи буровой установки.
Краткое описание чертежей
Ниже описан конкретный вариант исполнения настоящего изобретения только в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано следующее.
На фиг.1 показан вид сверху в изометрии буровой установки, стеллажа для хранения штанг и устройства работы со штангами, установленного между буровой установкой и стеллажом, согласно конкретному варианту исполнения настоящего изобретения.
На фиг.2 показан первый вид сбоку в изометрии устройства работы со штангами фиг. 1.
На фиг.3 показан второй вид сбоку в изометрии захватывающего штангу устройства фиг.2.
На фиг.4 показан вид снизу в изометрии задней части захватывающего штангу устройства фиг.3.
На фиг.5 показан вид сбоку захватывающего штангу устройства фиг.3, сцепляющееся со штангой, подлежащей соединению с бурильной колонной.
На фиг.6 показан с увеличением вид снизу в изометрии захватного устройства фиг.4 сзади с некоторыми компонентами, удаленными с иллюстративными целями.
На фиг.7 показан вид переднего торца захватного устройства фиг.4 с некоторыми компонентами, удаленными с иллюстративными целями.
На фиг.8 показано сечение переднего конца захватного устройства фиг.4 с некоторыми компонентами, удаленными с иллюстративными целями.
Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Настоящее устройство выполнено с возможностью обеспечивать автоматизированную подачу бурильных штанг на бурильную колонну и с бурильной колонны на буровой установке. Конкретно, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к устройству и способу, улучшающим работу привода и подъема из скважины бурильной колонны. В частности, захватывающее устройство выполнено с возможностью передачи крутящего момента на трубный элемент, например, бурильную штангу для скрепления или раскрепления резьбового соединения между бурильными штангами, соединенными вместе для образования бурильной колонны. Настоящее соединительное устройство содержит механические и в конкретном варианте гидравлические компоненты для создания прочной конфигурации с учетом тяжелых условий работы в окружающей среде, в которой устройство эксплуатируют. Настоящее захватывающее устройство специально выполнено с возможностью максимизации передачи вращательного привода (передается средствами зацепления штанги, установленными на захватном устройстве) на крайнюю штангу бурильной колонны во время скрепления или раскрепления резьбовых соединений.
Показанная на фиг.1, буровая установка 101 содержит раму 111 подачи, имеющую первый передний конец 114 и второй задний конец 112 относительно бурильной колонны 100. Штангодержатель 108 установлен на первом конце 114 и выполнен с возможностью удерживать концевую штангу 100 бурильной колонны, которая обычно проходит в направлении вниз в глубоком стволе скважины. Вращающий блок 107 установлен сзади держателя 108 на раме 111 и содержит обычные компоненты, выполненные с возможностью вращения штанг 100 бурильной колонны при выполнении бурения. Рама 111 подачи установлена на наклонной компоновке 105, выполненной с возможностью регулировать угол бурения буровой установки 101. Как показано, бурильная колонна 100 проходит вдоль оси x, при этом штанговое бурение включает в себя вращение с продвижением бурильных штанг 100 в направлении F, подъем штанг из ствола скважины проходит в противоположном направлении R, в обоих случаях вдоль оси x.
Штанги, которые подают на буровую установку 101, транспортируют и временно хранят на стеллаже 103 для хранения штанг, установленном смежно с буровой установкой 101. Устройство работы со штангами, указанное в общем ссылочной позицией 102, установлено между стеллажом 103 и буровой установкой 101 и выполнено с возможностью перемещения штанг между стеллажом 103 и буровой установкой 101 во время любых работ бурения и подъема из скважины. Как показано на фиг.1 и 2, устройство 102 работы со штангами содержит направляющую раму 110, на которой установлен блок перемещения в виде роботизированной руки-манипулятора 109 с шарнирным креплением на обоих своих концах. Захватное устройство 106 установлено на одном конце руки-манипулятора 109 и выполнено с возможностью зацепления и удержания штанг, подлежащих перемещению между стеллажом 103 и буровой установкой 101. Для обеспечения эффективного соединения штанг и предотвращения отклонения от заданного положения и повреждения во время соединения устройство 102 работы со штангами дополнительно содержит центрирующий инструмент 104, предназначенный для зацепления конца штанги бурильной колонны 100 и стыковки бурильной колонны с «перемещаемой штангой», взятой из стеллажа 103.
Как показано на фиг.2-4 исполнительная рука-манипулятор 109 установлена на первом конце 203 на направляющую раму 110 посредством исполнительного механизма 200 (является обычно гидравлическим, пневматическим или электрическим двигателем), обеспечивающего поворот в шарнире руки-манипулятора 109 вокруг оси 213 шарнира. Захватное устройство 106 установлено на втором конце 202 руки-манипулятора 109. Соответствующий исполнительный механизм 201 установлен на конце 202 для привода вращательного агрегата захватного устройства 106 на руке-манипуляторе 109, поворачивающегося на оси шарнира 214. Дополнительно, средство привода и перемещения (не показано) выполнено так, что рука-манипулятор 109 имеет функциональную возможность линейного перемещения вдоль направления рамы 110 для регулирования относительного положения штанги во время перемещения на буровую установку 101 в направлении оси x как во время операций соединения, так и отсоединения. Благодаря шарнирному креплению захватного устройства 106 на раме 110 (посредством руки-манипулятора 109) и средству аксиального перемещения (не показано) захватное устройство 106 выполнено с возможностью перемещения в направлениях x, y и z в процессе перемещения штанги.
Захватное устройство 106 содержит несущую раму 205, установленную на руке-манипуляторе 109, и подвижные салазки 206 с функциональной возможностью челночного перемещения вперед и назад относительно рамы 205 в направлениях F и R время операций соединения и отсоединения штанг. В частности, захватное устройство 106 содержит пару параллельных валов 207, которые проходят по длине в направлении оси x между передней и задней частью рамы 205, самая передняя сторона рамы 205 установлена ближе всего к бурильной колонне 100 (а также держателю 108 и вращающему блоку 107). Салазки 206 содержат пару втулок 215, выполненных с возможностью скольжения по соответствующему каждому валу 207, при этом салазки 206 подвешены в плавающем положении относительно рамы 205. Первая пара задних отклоняющих пружин 209 установлена на заднем конце каждого вала 207 и соответствующая пара передних отклоняющих пружин 210 установлена на переднем конце каждого вала 207 на каждом аксиальном конце каждой втулки 215. Соответственно, передние пружины 210 обеспечивают отклоняющее сопротивление перемещению салазок 206 вперед в направлении F, и задние пружины 209 обеспечивают сопротивление аксиальному перемещению салазок 206 назад в направлении R.
Захватное устройство 106 дополнительно содержит блок следящего за перемещением датчика, указанный в общем позицией 208, установленный в зоне рамы 205 и салазок 206. Соответственно, блок 208 датчика может вести мониторинг аксиального положения салазок 206 (в направлении оси x) относительно рамы 205.
Удлиненная балка 113 содержит первый конец 216, жестко закрепленный на центрирующем инструменте 104, и второй конец 217 жестко закрепленный в зоне рамы 205 зажимного элемента. Балка 113 имеет физическую и механическую конфигурацию и, в частности, наружный диаметр, обеспечивающие отклонение центрирующего инструмента 104 вбок в плоскости y, z во время соединения штанг в направлении F. Центрирующий инструмент 104 содержит пару подвижных губок 204, шарнирно закрепленных на несущей раме 212, зона которой соединена напрямую с концом 216 балки. Исполнительный механизм 211, осуществляющий привод (обычно гидравлический, пневматический или электрический двигатель), установлен на раме 212 для перемещения с поворотом в шарнире губки 204 в плоскости y,z. В сомкнутом положении губки 204 образуют внутреннюю соединительную камеру 303 в которую приняты концевые участки соответствующей концевой штанги 100 бурильной колонны и штанги 115, которой наращивают бурильную колонну и которую несет захватное устройство 106.
Захватное устройство 106 содержит пару противоположных средств зацепления штанги в виде губок 301, 302 захвата. Каждая губка 301, 302 выполнена с функциональной возможностью перемещения вбок в поперечном направлении от оси x, что соответствует в общем линейному перемещению в направлении ортогональной оси y. На фиг.4 две противоположные губки 301, 302 выступают в общем в направлении вниз от салазок 206, представляя собой ходовую часть захватного устройства 106. Каждая губка 300, 301 содержит соответствующую пару средств зацепления штанги в виде удлиненных роликов, выполненных для фрикционного контакта на наружной поверхности штанги 115. Каждая пара роликов 400, 401 выставлена параллельно продольной оси штанги 115 и оси x. Первый ролик 400 установлен по вертикали над вторым роликом 401 и в положении внутри каждой из губок 301, 302, при этом четыре ролика 400, 401 образуют счетверенную компоновку, окружающую штангу 115, которая сцеплена и зажата между противоположными парами роликов 400, 401.
Каждая губка 301, 302 содержит соответствующий исполнительный механизм 300 (гидравлический, пневматическим или электрический двигатели), установленный на заднем конце каждой губки 301, 302. Каждый исполнительный механизм 300 имеет функциональную возможность передачи вращательного привода по меньшей мере на один ролик 400, 401, через шестерни 402, установленные на соответствующих приводных валах (не показано) каждого исполнительного механизма 300, для придания вращения штанге 115 вокруг ее продольной оси.
Как показано на фиг.5, датчик 208 движения выполнен с возможностью ведения мониторинга относительного аксиального положения (в направлении оси x) салазок 206 относительно рамы 205. Данное получают с помощью первой части 500 датчика, установленной в зоне салазок 206 и второй части 501 датчика, установленной на раме 205. При захвате штанги 115, по существу, жестком, салазками 206, любое аксиальное перемещение штанги 115 относительно рамы 205 определяют по длине смещения блока 500, 501 датчика. Такой блок датчиков и его относительное положение установки является предпочтительным как для операций соединения (скрепления), так и для операций отсоединения (раскрепления) для обеспечения передачи сигналов обратной связи на автоматизированный блок управления (не показано) и идентификации правильного соединения и отсоединения штанги 115 в колонне 100. В частности, блок 500, 501 датчика выполнен с возможностью определения относительного аксиального перемещения салазок 206, имеющих переднюю концевую пластину 505 и заднюю концевую пластину 504, относительно рамы 205, имеющей передний конец 503 и задний конец 502.
Функция центрирующего инструмента 104 является двойной. Первой основной функцией является обеспечение наведения при соединении между собой штанг 100 и 115, а вспомогательной функцией является обеспечение дополнительной опоры для штанги 115 во время перемещения между стеллажом 103 и буровой установкой 101. Поскольку взятие штанги 115 из стеллажа 103 обычно включает в себя приближение захватного устройства 106 к штанге 115 сверху в направлении оси z, центрирующий инструмент 104 должен аналогично содержать устройство губок (соответствующее зажимным губкам 301, 302) для обеспечения зацепления штанги 115 обоими блоками 104, 106 одновременно. Соответственно, исполнительный механизм 211 губки центрирующего инструмента синхронизируют с исполнительным механизмом 700 губки захвата (см. фиг.7 и 8) так что открытие и закрытие губок 204 центрирования проходит одновременно с соответствующим открытием и закрытием губок 301, 302 захвата.
Как показано на фиг.4-6, салазки 206 содержат установочную плиту 409, которая создает мост, соединяющий переднюю концевую пластину 505 и заднюю концевую пластину 504. Пара пазов 406 выбрана на обращенной внутрь стороне каждой концевой пластины 505, 504, установленной противоположно и параллельно другой пластине, вблизи плиты 409 и под ней. Таким образом, пазы 406 проходят вдоль оси y перпендикулярной продольной оси x и соответствующей продольной оси штанги 115 и колонны 100.
Каждая губка 301, 302 содержит передний узел 403 крепления, установленный в направлении к передней концевой пластине 505 и задний узел 404 крепления, установленный в направлении к задней концевой пластине 504. Как верхний ролик 400, так и нижний ролик 401, установлены на осях 408, которые проходят в направлении оси x между передним и задним узлами 403, 404 крепления. Каждый узел 403, 404 крепления каждой губки заканчивается на своем самом верхнем конце элементом 407 крепления, прикрепленным к нижней стороне соответствующего блока 405 исполнительного механизма, установленного под несущей плитой 409. Соответствующий передний и задний конец каждого блока 405 содержит удлиненный шип 600, проходящий в направлении оси y и размещенный, соответственно, в переднем и заднем пазах 406 каждой концевой пластины 505, 504. Один или оба блока 405 содержат приводной механизм, выполненный с возможностью создания линейного бокового перемещения каждого блока 405 в направлении оси y относительно пластин 409, 505, 504 салазок. То есть, каждая губка 301, 302 установлена на своем верхнем конце посредством соответствующего блока 405 исполнительного механизма, имеющего по меньшей мере участок, установленный в пазы 406 с возможностью скольжения, при этом губки 301, 302 (и ролики 400, 401) выполнены с возможностью скользящего поперечного перемещения линейно бок о бок для сцепления с штангой 115 с каждой из сторон перпендикулярно продольной оси x. Согласно конкретному варианту реализации, блоки 405 связаны с приводным исполнительным механизмом 700 (см. фиг.7 и 8), выполненным с функциональной возможностью управления и привода шестерни исполнительного механизма линейного перемещения по типу реечной передачи, установленного в зоне блоков 405. Понятно, что любой приводной механизм известный в технике является подходящим и совместимым для применения с настоящим изобретением для обеспечения бокового линейного перемещения губок 301, 302, где каждый ролик 400, 401 перемещается в соответствующей одной плоскости. Соответственно, четыре ролика 400, 401 выполнены с возможностью всегда центрироваться на центральной (штанги) оси 701, при этом центральная ось 701 является общей для штанг отличающегося наружного диаметра.
Как показано на фиг.8, как верхний ролик 400, так и нижний ролик 401 комплектов 301, 302 каждой губки содержат основной корпус 702, имеющий в общем цилиндрическую конфигурацию, выполненную вокруг соответствующих осей 408. Согласно конкретному варианту реализации, как верхний, так и нижний ролики 400, 401 губки 302 содержат поверхностное покрытие 704 на абразивной основе, выполненное с возможностью создания фрикционной поверхности 703, усиливающей трение со штангой 115, установленной на центральной оси 701. Соответственно, ролики 400, 401 альтернативной губки 301 лишены поверхностного покрытия с включением абразивных частиц и высоким трением. Понятно, что, функция роликов 400, 401 со специально обработанной поверхностью заключается в передаче крутящего момента на штангу 115, при которой штанга 115 может вращаться относительно бурильной колонны 100 для раскрепления резьбового соединения между штангой 115 и смежной штангой колонны 100. Требуемое трение между роликами 400, 401 и штангой 115 меняется и зависит от диаметра штанги, угла наклона бурения и загрязнения, например, нефтью наружной поверхности штанги 115. Для оптимизации фрикционного контакта между роликами 400, 401 и штангой 115 поверхность 703 выполняют, как абразивную поверхность с уровнем шероховатости, достаточным для создания требуемой силы трения, при этом достаточно мелкозернистой, чтобы не оставлять неприемлемых следов на наружной поверхности штанги 115.
Поверхностное покрытие 704 содержит эластомерный или полимерный базовый слой. Альтернативно, базовый слой может содержать пластичный металл, например, медь. Возможно нанесение промежуточного адгезивного слоя или ленты подложки на основной корпус 702, если необходимо применение адгезивного или связывающего материала. Зернистые твердые частицы внедряют в подложку или базовый слой для обеспечения роликов 400, 401 сцепления (губок 302) шершавой наружной поверхностью, образованной зернами или твердыми частицами относительно небольшого диаметра. Понятно, что работающие как абразив частицы могут содержать металл, твердый пластик, керамику, стекло, карбид и/или алмаз. Согласно конкретным вариантам осуществления, истирающие частицы могут содержать: корунд; оксид алюминия; карбид кремния; карбид вольфрама, сплав алюминия с цирконием; триоксид хрома; оксидную керамику; кремний; цирконий; вольфрам; карборунд; кубический нитрид бора; корунд; частицы или зерна кварца; титан; поликристаллический алмазный композит; природный алмаз и их смеси.
Согласно конкретному варианту реализации каждый ролик 400, 401 содержит алмазные частицы для придания шероховатости поверхности с показателем P-grade в диапазоне от P24 до P60 согласно системе стандартов European Federation of European Producers of Abrasives (FEPA). Согласно конкретному варианту реализации, средний диаметр абразивных зерен составляет от 770 мкм до 260 мкм. Кроме того, и согласно конкретному варианту реализации, уровень шероховатости, по размеру зерна составляет приблизительно 500 мкм +/- 300 мкм.
Согласно дополнительным конкретным вариантам осуществления, только один из четырех роликов 400, 401 содержит поверхностное покрытие 704. Согласно еще одному дополнительному варианту осуществления, оба ролика 400, 401 обеих губок 301, 302 содержат поверхностное покрытие 704. Соответственно, один или множество сцепляющихся со штангой роликов 400, 401 могут иметь более высокий коэффициент трения, чем другие ролики 400, 401 соответствующих губок 301, 302.
Согласно конкретному варианту реализации, аксиальная длина роликов 400, 401 в направлении оси x составляет 150 мм +/- 50 мм. Дополнительно, расстояние между центрами роликов 400, 401 каждой губки 301, 302 составляет между 60-80 мм, где ролики 400, 401 имеют наружный диаметр 50 мм.
Согласно конкретному варианту реализации, губки 301, 302 перемещаются вбок в плоскости x-y по ширине салазок 206 в направлении перпендикулярном продольной оси штанги 115. Со штангой 115 входит в контакт каждый из четырех роликов 400, 401, при этом по меньшей мере один из данных роликов приводится в действие исполнительным механизмом 300, передающим вращение либо для скрепления или для раскрепления резьбового соединения между штангой 115 и колонной 100. Согласно дополнительным конкретным вариантам реализации, средства зацепления штанги 400, 401 могут представлять собой ремни, ремни с покрытием или цепные сегменты для сцепления с наружной поверхностью штанги 115 и приведения в действие подходящими исполнительными механизмами 300. Шершавое поверхностное покрытие с высоким трением на средствах 400, 401 зацепления выполнено с возможностью захвата штанги 115, обеспечивающего как надежное аксиальное перемещение (в направлении оси x), так и вращение (вокруг оси x) посредством вращения одного или нескольких средств 400, 401 зацепления штанги в случае загрязнения штанги 115 смазочными материалами, например, маслом, водой и т.п.