Элеватор универсальный с дополнительной блокировкой захвата в закрытом положении

Полезная модель относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначена для использования в процессе обустройства и капитальном ремонте скважин, а именно к элеваторам для захвата, подъема и удержания на весу колонны насосно-компрессорных труб в процессе спуско-подъемных операций.
Известен элеватор SU №1218061, E21B 19/2, опубликован 15.03.1986, получивший широкое применение в нефтяной и газовой промышленности СССР и России, позволяющий оператору управлять элеватором одной рукой. Элеватор содержит корпус с упором и размещенный в нем захватный узел, состоящий из челюсти и штока, соединенных шарниром, рукоятку фиксации штока, установленную с возможности поворота относительно корпуса и штока, и осуществления взаимодействия с упорными элементами, выполненными на рукоятке и штоке, а также подпружиненный элемент фиксации и связанный с ним подпружиненный рычаг управления. Фиксация челюстей механизма на трубе осуществляется путем поворота рукоятки до тех пор, пока подпружиненный элемент фиксации не зайдет за упор корпуса, благодаря двойной фиксации запорного механизма, поворота и запирания, повышается безопасность работы с элеватором.
Удачная конструкция элеватора десятки лет выпускалась под промышленной маркой «Элеватор типа ЭТА». Однако в многолетней обширной практике использования имелись случаи отказа механизма запирания, в результате которых происходило выпадение трубы из захвата и травмирование обслуживающего персонала.
Причины эксплуатационных отказов описанного и всех последующих усовершенствованных конструкций элеваторов, в которых рукоятка фиксации запирающего штока, выполненная поворотной относительно корпуса и штока, заключаются в быстром износе по месту сопряжения подвижной пары корпус-рукоятка, так как она нагружена всеми силами, которые действуют между рукояткой и остальной частью элеватора, включая собственный вес элеватора, нагрузки необходимые для перемещения его в процессе подвода и отвода к трубе, таких как сила трения, инерции, удара, и их угловых составляющих. Кроме того, что при закрывании элеватора поворотом рукоятки угол поворота последнего не превышает 25-30°, что определяется эргономическими требованиями к длине рукоятки и условием, согласно которому при наибольшем отклонении от плоскости симметрии элеватора рукоятка не должна выступать за пределы контура его корпуса, т.к. в противном случае резко возрастает риск зацепления рукояткой элеватора за элементы конструкции грузоподъемного во время спуско-подъемных операций. Это обстоятельство ограничивает линейные величины перекрытия упорных элементов штока и рукоятки в условиях резкого увеличения линейных и угловых зазоров в узле запирания в процессе эксплуатации устройства и введет к снижению условий эксплуатационной безопасности.
Также, недостатком указанных устройств является открытое расположение подвижного рычага управления на рукоятке элеватора, что при нештатных ситуациях, например, случайных ударах рукояткой об элементы грузоподъемного сооружения при спуско-подъемных операциях приводит к нештатному раскрытию элеватора с выпадением трубы.
Известны технические решения, повышающие срок службы изнашиваемой поворотной пары рукоятка-корпус путем введения элементов герметизации, установки подшипников качения.
Так известен элеватор, содержащий шарнирно соединенные корпус и серьгу [RU 66774 U1, МПК Е21В 19/06 (1995.01), опубл. 2007]. В корпусе установлены сменные захваты. В приливе корпуса установлена рукоятка управления, которая торцевой плоскостью прижата к фиксирующей стойке корпуса. В сочленении прилив корпуса - рукоятка установлены два разнесенных подшипниковых узла. Зев в рукоятке увеличен на 20 мм.
Известно решение повышения эксплуатационной надежности за счет изменения геометрии взаимодействующих упорных элементов, выполненных на штоке и поворотной рукоятке RU 2171351 C1, МПК Е21В 19/06 (2000.01), опубл. 27.07.2001, в котором сменные захваты выполнены в форме поворотных сегментов, длина рабочей грани опорной стойки, по которой проходит путь подпружиненного фиксатора от положения "открыто" до положения "закрыто", находится в пределах от D/5 до D/2, где D - диаметр внутренней окружности корпуса элеватора, причем рабочая грань опорной стойки выполнена ступенчатой, а каждая ступенька рабочей грани опорной стойки выполнена с фаской, при этом опорная стойка имеет выемку в форме вертикального паза в месте соприкосновения ее с подпружиненным фиксатором в положении "открыто". Кроме того, рабочие грани опорной стойки и подпружиненного фиксатора имею рифленую поверхность.
Известно решение повышения эксплуатационной надежности за счет визуального контроля от недопустимого раскрытия челюстей, в котором «Элеватор универсальный для насосно-компрессорных труб и устьевых штанг с подэлеваторным буртом», RU 2171351 C1, СПК Е21В 19/06 (2019.08), опубл. 21.02.2020., содержит корпус с утолщением и площадкой, соединенный шарнирно с серьгой, челюсти со штоком для различных типоразмеров насосно-компрессорных труб и устьевых штанг, соединенные шарнирно, запорный механизм-рукоятку с подпружиненным рычагом, нижняя часть которого установлена в утолщении с возможностью поворота, при этом верхний конец рычага установлен в пазу подпружиненного фиксатора, установленного в верхней горизонтальной части рукоятки с возможностью взаимодействия с площадкой, а нижний конец рычага установлен в вертикальной части рукоятки, нижняя горизонтальная часть рукоятки выполнена полой для прохода в нее штока захвата, снабженного пазами для вхождения в них выступов рукоятки, в вертикальной части рукоятки установлен подпружиненный стопор, в котором дополнительно установлен заподлицо с боковой поверхностью рукоятки резьбовой винт-указатель, проходящий через продольный сквозной паз, выполненный в вертикальной части рукоятки с левой стороны, при этом на поверхности около паза нанесена маркировка с рисками «Открыто» и «Закрыто», которая визуально отражает местоположение нижней кромки стопора относительно прямоугольного паза, выполненного на штоке, при совмещении оси винта-указателя с той или иной риской.
Известен универсальный элеватор, содержащий сменные захваты, имеющие шток с пазом, корпус с пазом для прохода сменных захватов и стойку, шарнирно прикрепленные к корпусу серьгу и рукоятку, ось которой совпадает с центральной осью элеватора в положении его открытия, взаимодействующей со стойкой подпружиненный фиксатор, установленный в рукоятке, и выступ в рукоятке, взаимодействующий с пазом штока [RU 2108440 C1, МПК Е21В 19/06 (1995.01), опубл. 1997], принятый за прототип. Стойка расположена на центральной оси элеватора, причем на стойке расстояние от центральной оси элеватора до края стойки равно длине прохождения постоянно поджатого к плоскости стойки фиксатора от положения открытия до положения закрытия элеватора. Фиксатор под действием пружины после потери контакта со стойкой выходит из отверстия и фиксирует рукоятку в закрытом положении автоматически, препятствуя самопроизвольному открыванию элеватора и выпадению трубы при эксплуатации. Решение обеспечивает повышение надежности работы элеватора. Как вариант, стойка имеет скос от вертикальной оси элеватора в стороны положения «закрыто», что облегчает процесс переключения механизма фиксации в закрытое положение элеватора.
К общим недостаткам известных конструкций элеватора можно отнести отсутствие независимой блокировки механизма фиксации захвата при выполнении работ, связанных с аварийными и ремонтными работами: натяжением колонны с целью освобождения прихваченного аварийного объекта во время производства ловильных работ; в случаях перемещения подвешенной к талевому блоку колонны рывками и с сотрясениями при подпадании посторонних предметов в затрубное пространство и наличия нарушения в эксплуатационной колонне.
Как показывает многолетний опыт эксплуатации известных конструкций элеватора, в том числе серийно выпускаемого ближайшего аналога, при выполнении вышеперечисленных аварийных и ремонтных работ за счет преднамеренных необходимых действий оператора (натяжений, рывков, потряхивании и т.п.), на узле захвата трубы возникают дополнительные знакопеременные нагрузки и их угловые составляющие, что повышает вероятность самопроизвольного открытия механизма фиксации захвата, особенно когда ресурс элеватора существенно использован и в узле запирания возникли увеличенные линейные и угловые зазоры. Также, возможно случайное открытие элеватора уставшим оператором или при ударе элеватора, как описано выше.
Целью предлагаемого технического решения является устранение возможности нештатного самопроизвольного открывания механизма захвата трубы колонны как при производстве аварийных и ремонтных работ, так и обусловленного человеческим фактором.
Техническим результатом является повышение эксплуатационную надежность элеватора и, как следствие, уровня безопасности работы с ним при производстве буровых работ на нефтегазовых скважинах.
Указанный технический результат достигается тем, что элеватор универсальный с дополнительной блокировкой захвата в закрытом положении, содержащий сменные захваты, имеющие шток с пазом, корпус с пазом для прохода сменных захватов и стойку, расположенную на центральной оси элеватора, шарнирно прикрепленные к корпусу серьгу и рукоятку, ось которой совпадает с центральной осью элеватора в положении его открытия, шарнирно прикрепленный к рукоятке постоянно поджатый рычаг управления, один конец которого связан с подпружиненным фиксатором, взаимодействующим со стойкой, а второй конец свободно установлен в отверстие рукоятки, при повороте которой подпружиненный фиксатор скользит по поверхности стойки от центральной оси до края стойки в положение его закрытия, и выступ в рукоятке, взаимодействующий с пазом штока, особенностью является то, что упомянутый свободный конец рычага управления фиксируется штифтовым соединением, препятствуя движению рычага в отверстие рукоятки, и блокирует рукоятку в положении закрыто.
На фиг. 1 представлен вид сбоку элеватора в положении «Закрыто» с вариантами установки на рукоятке дополнительного блокирующего устройства рычага управления в разрезе: вариант I - в виде штифта или шплинта; вариант II - в виде штифта, оснащенного пружиной; вариант III - в виде штифта, шарнирно соединенного с падающей пластиной.
Элеватор состоит из сменных захватов 1, к которым шарнирно прикреплен шток 2 с пазом 3, корпуса 4 с центральным пазом 5 для прохода сменных захватов 1 и стойки 6, шарнирно прикрепленных к корпусу 4 серьги 7 и рукоятки 8. В рукоятке 8 установлен подпружиненный фиксатор 9, который постоянно поджат к плоскости стойки 6. К рукоятке 8 шарнирно прикреплен рычаг управления 10 «Открыто-Закрыто», один конец рычага 10 свободно установлен в паз 11 фиксатора 9, а второй его конец свободно установлен в отверстие 12 рукоятки 8. Рычаг управления 10 постоянно поджат пружиной 13. В нижней части рукоятки 8 имеется отверстие 14 для установки штока 2 и выступ 15. В положении открытия элеватора ось рукоятки совпадает с центральной осью элеватора, причем на стойке расстояние от центральной оси до края стойки равно длине прохождения фиксатора 9, постоянно поджатого к плоскости стойки 6, от положения открытия до положения закрытия элеватора. Стойка 6 имеет скос, направленный в сторону от центральной оси элеватора. В рычаге управления 10 имеется отверстие 16, в которое вставляется дополнительный фиксатор 17, выполненный в виде штифта или шплинта для недопущения самопроизвольного открытия элеватора в процессе эксплуатации (вариант I). В варианте II фиксатор выполнен в виде штифта 18 оснащенного пружиной 19 для автоматической дополнительной блокировки элеватора путем защелкивания штифта в отверстие 16. В варианте III дополнительный фиксатор выполнен в виде штифта 20 шарнирно соединенной с падающей пластиной 21.
Захват 1 является легкосменным инструментом и при соответствующем изменении диаметра отверстия под трубу позволяет производить спуско-подъемные операции на скважине размерного ряда насосно-компрессорных труб 89, В73; 73; В60; 60; В48; 42; 33; В33.
Элеватор работает следующим образом.
В открытом положении элеватора, ось рукоятки 8 совпадает с центральной осью элеватора. В таком положении рукоятки ее фиксатор 9 постоянно поджат пружиной к стойке 6. При наклоне элеватора к трубе захват 1 выходит по пазу 5 из корпуса 4, челюсти захвата скользят по направляющим (не показано) и расходятся. Раскрытые челюсти заводятся на трубу (не показана) и корпус 4 элеватора опускается к трубе, при этом челюсти захвата 1 охватывают трубу и двигаются в гнездо корпуса элеватора, причем шток 2 заходит в отверстие 14. После этого рукоятка 8 поворачивается влево рабочим-оператором. Фиксатор 9, двигаясь по скосу стойки 6, постепенно пружиной выдвигается из рукоятки и, пройдя расстояние от центральной оси до края стойки, выталкивается и заходит на стойку. При этом выступ 15 рукоятки заходит в паз 3 штока 2, препятствуя выходу захвата с трубой из корпуса, и происходит закрытие элеватора. Дополнительно заблокировать рукоятку путем установки фиксатора 17 в отверстие 16 рычага 10 (вариант I). В варианте II дополнительная блокировка осуществляется путем перемещения штифта 18 с помощью пружины 19 в отверстие 16 рычага 10. В варианте III дополнительная блокировка осуществляется штифтом 20 вставляемым в отверстие 16 рычага 10 путем предварительного поднятия падающей пластины 21.
Для открытия элеватора необходимо первоначально разблокировать дополнительную блокировку путем извлечения фиксатора 17 из отверстия 16 рычага 10 (I вариант). В варианте II вывести штифт 18 оснащенный пружиной 19 из отверстия 16 рычага 10. В варианте III извлечь штифт 20 из отверстия 16 рычага 10 путем поднятия падающей пластину 21. После снятия дополнительной блокировки, необходимо нажать на рычаг 10, пружина 13 сожмется, и конец рычага 10 в пазе 11 сожмет пружину фиксатора 9 и выведет его из-за стойки 6, тогда при перемещении рукоятки 8 вправо фиксатор будет скользить по скосу стойки 6. При перемещении фиксатора 9 рукоятки 8 от края стойки до центральной оси элеватора выступ 15 постепенно выйдет из паза 3 штока 2 и произойдет открытие элеватора. После этого захват 1 выйдет из корпуса 4 и труба будет освобождена. Дальнейший цикл закрытия и открытия (зажатие, освобождение труб) элеватора осуществляется описанным способом.
В предлагаемой конструкции элеватора предусмотрена установка дополнительного фиксирующего элемента, жестко ограничивающего свободный ход рычага управления в паз пустотелой рукоятки, тем самым блокируя захват трубы в закрытом состоянии.  Дополнительная блокировка захвата в закрытом состоянии устраняет вероятность самопроизвольного открытия механизма фиксации захвата при производстве ремонтно- аварийных работ и случайного открытия захвата, обусловленное человеческим фактором, тем самым позволяет повысить уровень безопасности персонала при производстве работ.
По заявкам предприятий Западно-Сибирского нефтегазового комплекса заявитель организовал производство универсальных элеваторов с дополнительной блокировкой захвата в закрытом состоянии в разных, выше описанных, вариантах. При этом эксплуатация отдает предпочтение простейшему варианту фиксации рычага управления штифтом, который по завершению работ извлекается и утилизируется оператором.