БЛОКИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ БЛОКИРОВКИ ДЕРЖАТЕЛЯ ИНСТРУМЕНТА БУРОВОЙ СИСТЕМЫ
BLOCKING DEVICE AND METHOD FOR BLOCKING TOOL HOLDER OF DRILLING SYSTEM

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к блокирующему устройству и способу блокировки для блокирования инструмента в держателе инструмента установки вращательного бурения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Установки вращательного бурения в основном применяются в промышленном и гражданском строительстве или разведке минерального сырья для бурения стволов скважин, в частности для строительства обсаженных стволов скважин.
При бурении скважин в грунте многих типов и множеством способов бурения (например, для способов вращательного бурения или способов вибрационного бурения) бурильные инструменты требуют частой замены. В обычных буровых установках держатель инструмента расположен непосредственно под вращательным приводом для приведения в действие бурового оборудования. Бурильные инструменты, в частности шнековые буры, ковшебуры или обсадные трубы, вставляются в данный держатель инструмента и блокируются после вставления. Вращательным приводом часто является верхний привод (KDK), который приводит в действие толкающую трубу или трубную колонну, и часто оба элемента.
В частности, при строительстве обсаженных стволов скважин с применением установок вращательного бурения требуется частая замена инструмента, по меньшей мере по отношению к обсадным трубам, а также по отношению к выемочным инструментам (например, шнековым бурам или ковшебурам). Когда приводится в действие обсадная труба, грунт и горная порода вначале разрыхляется выемочным инструментом и удаляется и одновременно или по истечении фиксированных интервалов обсадная труба перемещается вниз в скважине посредством толкающей трубы. В зависимости от грунтовых условий в дополнение применяетcя обсаживающая машина.
Для удаления вынутого материала из ствола скважины необходимо отсоединить обсадную трубу от толкающей трубы, для подъема из скважины ведущей бурильной трубы вместе с выемочным инструментом для укладки вынутого материала рядом со стволом скважины, для спуска выемочного инструмента с ведущей бурильной трубой обратно в обсадную трубу и опять для блокирования толкающей трубы с обсадной трубой. В зависимости от грунтовых условий в некоторых случаях выемочный инструмент на ведущей бурильной трубе также должен заменяться и блокироваться.
Если новую скважину проходят и обсаживают, обсадная труба должна полностью подниматься и перемещаться в ствол скважины установкой вращательного бурения. В данном способе обсадные трубы и выемочные инструменты временно управляются свободно подвешенными на установке вращательного бурения.
После вставления бурильные инструменты вводятся во взаимодействие с площадью держателя инструмента в большинстве случаев с принудительной блокировкой. Для блокировки обычно применяют блокирующие пальцы, которые установлены в муфтах на инструменте или держателе инструмента и которые смещаются вручную посредством рычага или гидравлической системы для сцепления с отверстиями ответной части и при этом блокирования последней.
Недостаток существующей техники состоит в том, что известные устройства являются сравнительно сложными и, как следствие, дорогостоящими, и что их применение является дорогостоящим, поскольку линии управления и элементы управления должны направляться через вращательный привод буровой установки во вращающемся держателе инструмента. В дополнение, интегрированный мониторинг блокировки является весьма сложным или вообще невозможным, что приводит к нарушению техники безопасности.
Задачей изобретения является устранение недостатков существующей техники и создание оптимизированной блокировки.
Задача решается блокирующим устройством и способом блокировки согласно формуле изобретения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Патентоспособное блокирующее устройство для блокировки инструмента на держателе инструмента установки вращательного бурения содержит муфту, блокирующий палец, систему перемещения и систему управления.
Форма муфты и блокирующего болта является в большой степени произвольной. Вместе с тем, части следует выполнять с возможностью зацепления муфты вокруг блокирующего пальца с принудительным блокированием так, что блокирующий палец может вращаться вокруг своей продольной оси в муфте и может при этом смещаться вбок параллельно указанной продольной оси.
Блокирующий палец и муфта выполнены так, что движение подачи блокирующего пальца относительно муфты происходит посредством его вращении в муфте. Данное предпочтительно выполняется способом, в котором некоторый элемент выступает из блокирующего пальца и направлен в винтовую выемку муфты или в котором некоторый элемент выступает из муфты и направлен винтовую выемку блокирующего пальца.
Подходящее боковое перемещение блокирующего пальца относительно муфты в варианте способа блокировки, в частности, выполнено с возможностью перемещения  блокирующего пальца  из положения, в котором его передний торец расположен в муфте или по меньшей мере заподлицо с муфтой или держателем инструмента, в положение, в котором он выступает из муфты на такую величину, что может сцепляться с выемкой в инструменте (в частности, через выемку в держателе инструмента), в частности, на расстояние по меньшей мере 1 см.
Предпочтительно блокирующий палец содержит по меньшей мере один продолжающийся радиально наружу направляющий штифт, который расположен с возможностью перемещения в направляющей  (Kulisse) муфты, в частности в направляющей, которая продолжается наклонно к продольной оси муфты или винтообразно, при этом направляющая является предпочтительно щелевидной выемкой в муфте. Направляющая может являться выемкой, продолжающейся через часть толщины стенки муфты или насквозь через всю толщину стенки муфты.
В предпочтительном варианте осуществления направляющая обеспечивает возможность поворота направляющего штифта на угол не больше 360°, предпочтительно не больше 180°.
В предпочтительном варианте осуществления концевой участок направляющего штифта, который выполнен с возможностью перемещения в указанной направляющей, выступает за край муфты. Данное обеспечивает очень простой контроль положения направляющего штифта, визуально или посредством датчиков.
Система перемещения содержит по меньшей мере один электрический двигатель и по меньшей мере один вал, который выполняет относительное вращение муфты и блокирующего болта посредством усилия от электрического двигателя.
Предпочтительно система перемещения содержит по меньшей мере один редуктор, в частности по меньшей мере одну угловую передачу. Далее для ясности упоминается только один электрический двигатель и один редуктор; указанное вместе с тем не следует интерпретировать как ограничение но является предпочтительным вариантом осуществления.
Редуктор приводится в действие в данном случае посредством вращения электрического двигателя и выполняет вращение вала системы перемещения, и вал, в свою очередь, обеспечивает относительное вращение муфты и блокирующего пальца. Преимущество угловой передачи состоит в том, что блокирующее устройство можно устанавливать на держателе инструмента с экономией пространства.
Предпочтительно по меньшей мере один из валов системы перемещения является валом электрического двигателя или валом редуктора.
Для быстрой остановки вращения электрического двигателя и/или предотвращения вращения на холостом ходу система перемещения предпочтительно содержит по меньшей мере один тормоз. В тормозящем состоянии такой тормоз предотвращает вращение вала системы перемещения, блокируя напрямую вал, электрический двигатель, редуктор и/или относительное вращение блокирующего пальца и муфты.
В предпочтительном варианте осуществления система перемещения прочно соединена с муфтой предпочтительно посредством адаптера так, что вращение вала обеспечивает вращение блокирующего пальца в муфте, при этом система перемещения остается жестко связанной с муфтой. Как указано выше, вращение блокирующего пальца обеспечивает его боковое смещение в муфте. Посредством смещения палец может входить во взаимодействие в отверстиях инструмента или держателя инструмента и, таким образом, исполнять блокирующую функцию.
В другом предпочтительном варианте осуществления, система перемещения прочно соединена с блокирующим пальцем, предпочтительно посредством адаптера, так что вращение вала обеспечивает вращение муфты вокруг блокирующего пальца, а система перемещения всегда остается жестко связанной с блокирующим пальцем.
Для компенсации бокового смещения блокирующего пальца относительно системы перемещения блокирующее устройство предпочтительно содержит дополнительные элементы для компенсации данного смещения относительно вала системы перемещения, в частности скользящий вал, который передает вращение вала на блокирующий болт, но может смещаться вращательно относительно вала.
Система управления содержит блоки управления системой перемещения, посредством которых, в частности, по внешнему управляющему сигналу система перемещения перемещает блокирующий палец в блокирующее или не блокирующее положение. Управляющие сигналы можно передавать по проводной или беспроводной схеме передачи в систему управления, которая, если необходимо, содержит блоки для приема радиосигналов и/или блоки декодирования данных сигналов. Дистанционное управление является предпочтительным, поскольку в данном случае не требуются кабели, проходящие с поста оператора буровой установки в блокирующее устройство для передачи данных. Управляющие сигналы может также посылать дополнительный блок датчика, который автоматически обнаруживает, что инструмент установлен или сброшен, и который автоматически управляет системой управления без вмешательства персонала.
Поскольку держатель инструмента перемещается, большим преимуществом является, если на стыке движущихся частей машины сигналы в проводах передаются посредством скользящих контактов.
В предпочтительном варианте осуществления блокирующее устройство, в частности система управления, содержит устройство накопления энергии, в частности батареи или аккумуляторы, которые подают достаточно энергии для по меньшей мере одной деблокирующей и/или блокирующей операции. Данное имеет преимущество в том, что никаких линий электропитания, проходящих от источника электропитания установки вращательного бурения на блокирующее устройство, не требуется создавать.
В дополнительном предпочтительном варианте осуществления блокирующее устройство содержит систему, посредством которой можно получать выигрыш в энергии от вращения держателя инструмента относительно неподвижных частей буровой установки. Предпочтительно система содержит по меньшей мере один генератор для получения энергии, статор которой предпочтительно выполнен на держателе инструмента и вращатель которой направлен вдоль неподвижных частей буровой установки во время вращения держателя инструмента и может, таким образом, вращаться относительно статора.
Данный вариант осуществления является особенно эффективным, если содержит вышеуказанное устройство накопления энергии, в котором энергия может накапливаться во время бурения. Таким способом, в процессе бурения можно накапливать достаточно энергии для деблокирования и блокирования при следующей замене инструмента.
В предпочтительном варианте осуществления блокирующее устройство содержит систему мониторинга положения, которая предпочтительно содержит по меньшей мере один датчик или по меньшей мере одну пару датчиков.
Данная система мониторинга положения выполнена с возможностью мониторинга положения блокирующего пальца, в частности его конечного положения в заблокированном и/или деблокированном состоянии. Предпочтительными датчиками являются выбранные из группы, содержащей фотоэлектрический барьер, электрические выключатели, в частности бесконтактные выключатели, электрoмеханические выключатели, в частности следящие устройства, потенциометры и электрические контактные поверхности.
При измерении положения блокирующего пальца его положение предпочтительно определяется напрямую или не напрямую. Данное можно выполнить, в частности, измеряя положение блокирующего пальца относительно муфты, измеряя положение направляющего штифта или измеряя угол вращения вала системы перемещения, например, посредством потенциометра.
При измерении положения блокирующего пальца или положения направляющего штифта, применение следящих устройств и/или бесконтактных выключателей в системе мониторинга положения является предпочтительным.
Система мониторинга положения предпочтительно применяется для управления системой перемещения; например, так, что система перемещения остается в движении до достижения конечного положения, и/или система тревожной сигнализации приводится в действие, когда инструмент или держатель инструмента перемещается без срабатывания блокировки. Вышеуказанная система тревожной сигнализации является, в частности, дополнительным компонентом части блокирующего устройства.
С системой мониторинга положения для блокирующего устройства согласно изобретению возможно значительное совершенствование техники безопасности. На практикe успешную блокировку в некоторых случаях проверяют только визуально, что может приводить к ошибкам персонала. Также для экономии времени блокировку в некоторых случаях распределяют с использованием полной и принудительной блокировки между инструментом и держателем инструмента вместе с давлением, возникающим в процессе бурения. Вместе с тем, поскольку инструменты (вращательные трубы или обсадные трубы и выемочные инструменты) часто перемещаются свободно подвешенными в способах вращательного бурения, могут возникать аварии вследствие падения инструментов, если инструменты не блокированы надлежащим образом.
Настоящее изобретение, содержащее систему мониторинга положения, может надежно выполнять обнаружение и индикацию надлежащей блокировки.
С этой целью блокирующее устройство предпочтительно содержит элементы индикации и/или элементы тревожной сигнализации. Также предпочтительно в случае ненадлежащей блокировки передается сигнал на буровую установку (по радиосвязи или по проводам), который предотвращает перемещение инструмента до срабатывания надлежащей блокировки.
В предпочтительном варианте осуществления держатель инструмента является толкающей трубой установки вращательного бурения, которая, в частности, выполнена с возможностью вмещать обсадные трубы. Предпочтительно по меньшей мере два, в частности три, четыре или пять, блокирующих устройств согласно изобретению устанавливаются на толкающей трубе. В вышеуказанном случае блокирующее устройство согласно изобретению предпочтительно установлено так, что его блокирующий палец может блокировать инструмент, в частности обсадную трубу,  через двойную стенку толкающей трубы. Данное реализуется, в частности, в том, что выемки присутствуют в двойной стенке в соответствующих местах или что устройство образует часть двойной стенки. Как правило, блокирующие пальцы расположены на нижнем конечном участке двойной стенки прилегающей толкающей трубы. В данном варианте осуществления блокирующее устройство согласно изобретению поэтому специально предназначено для блокировки инструментов, в особенности обсадных труб на нагнетательной трубе.
В другом предпочтительном варианте осуществления, который можно успешно комбинировать с вышеописанным вариантом осуществления, держатель инструмента прикрепляется на конечном участке ведущей бурильной трубы установки вращательного бурения или образует указанный конечный участок. Инструменты, предназначенные для данной цели, являются, в частности, выемочными инструментами, предпочтительно шнековыми бурами или ковшебурами. В данном варианте осуществления блокирующее устройство согласно настоящему изобретению конкретно выполнено с возможностью блокировки инструментов, в особенности выемочных инструментов, например шнековых буров или ковшебуров, на ведущей бурильной трубе.
В предпочтительном варианте осуществления блокирующие пальцы и/или муфты являются серийно производимыми и имеющимися в продаже элементами, которые оснащены другими элементами устройства согласно изобретению и, таким образом, создают блокирующее устройство изобретения.
Патентоспособный способ блокировки для блокировки инструмента на держателе инструмента установки вращательного бурения, содержащий по меньшей мере одно блокирующее устройство, включает в себя следующие этапы, на которых:
- соединяют инструмент с держателем инструмента;
- поворачивают по меньшей мере один блокирующий палец относительно муфты, связанной с блокирующим пальцем, посредством по меньшей мере одного электрического двигателя. Блокирующий палец должен при этом выдвигаться из муфты и захватывать инструмент на держателе инструмента или сцепляться с отверстиями в инструменте и/или в держателе инструмента, таким образом, блокируя две части вместе.
Хотя для ясности важные составляющие части изобретения указаны в единственном числе, данное не исключает, что все данные указанные части могут также многократно встречаться в устройстве. Например, несколько электрических двигателей могут работать на один редуктор, или несколько редукторов могут приводиться в действие посредством одного электрического двигателя. Также блокирующий палец может содержать множество направляющих штифтов, или муфты могут содержать несколько направляющих.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры предпочтительных вариантов осуществления блокирующего прибора показаны на фигурах.
На фиг.1 схематично показано положение предпочтительных вариантов осуществления на держателе инструмента;
На фиг.2 схематично показан вид сбоку предпочтительного варианта осуществления в незаблокированном состоянии.
На фиг.3 схематично показан вид сзади предпочтительного варианта осуществления в незаблокированном состоянии.
На фиг.4 схематично показан вид сбоку предпочтительного варианта осуществления в заблокированном состоянии.
На фиг.5 схематично показан вид сзади предпочтительного варианта осуществления в заблокированном состоянии.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг. 1 показаны положения трех блокирующих устройств 1 в держателе 3 инструмента установки вращательного бурения. Держатель 3 инструмента может, например, являться автоматической толкающей трубой мобильной установки вращательного бурения. На верхнем конце держателя 3 инструмента можно установить, например, вращательное устройство буровой установки. Нижний конец держателя 3 инструмента выполнен с возможностью соединения с инструментами, которые не показаны. Например, обсадные трубы, применяемые для бурения свай или для строительства обсаженных стволов скважин, можно вставлять в держатель 3 инструмента и блокировать посредством блокирующих устройств 1. Инструменты блокируются посредством блокирующих пальцев, продолжающихся через сквозные отверстия в обсадной колонне, при этом происходит крепление инструмента.
Посредством системы управления 2 можно управлять блокированием и деблокированием соответствующего инструмента. В случае, где система управления содержит радиоприемник и свой собственный источник энергии, например аккумулятор, отсутствует необходимость прокладки кабелей снаружи к вращающемуся держателю инструмента, что дает преимущество, поскольку система получается недорогой, простой в установке и работе.
На фиг.2 и 3, предпочтительный вариант осуществления в деблокированном состоянии показан вид сбоку и сзади. Можно ясно видеть, что электрический двигатель 4 обеспечивает вращeние блокирующего пальца 9 в муфте 10 через редуктор 5, который здесь является угловой передачей. Муфта 10 поддерживает блокирующий палец 9 с возможностью скольжения и вращения в ней, палец имеет продолжающийся радиально наружу направляющий штифт 12, перемещающийся в щелевидной выемке муфты, которая продолжается наклонно к продольной оси муфты.
Вращение электрического двигателя 4 передается через редуктор 5 на приводной вал 6, который, в свою очередь, передает свое вращение на скользящий вал 7. Скользящий вал 7 соединен с блокирующим пальцем 9 и регулирует боковое перемещение блокирующего пальца 9 относительно приводного вала 6. Для оптимизации перемещения блокирующего пальца 9 его можно направлять посредством дополнительной осевой направляющей 8.
Вращение блокирующего пальца 9 обеспечивает перемещение направляющего штифта 12 винтообразно в щелевидной направляющей 11 муфты 10. Данное винтовое перемещение выталкивает блокирующий палец 9 из муфты 10 (на чертеже вправо) так, что по завершении данного перемещения он выступает из муфты и должен при этом блокировать инструмент в держателе инструмента.
Два элемента для мониторинга положения, датчики 13, осуществляют мониторинг положения блокирующего пальца 9 по положению направляющего штифта 12. В показанном деблокированном состоянии направляющий штифт выставлен так, что срабатывает датчик 13, который осуществляет мониторинг деблокированного положения (левый датчик на фиг.2, правый датчик на фиг.3). В случае, если блокирующее устройство расположено в кожухе 16 для его защиты, как показано на фиг.3, полезным является удлинитель 17 направляющего штифта, который обеспечивает направляющему штифту выход по меньшей мере в своем конечном положении из кожуха и делает возможной дополнительную визуальную проверку. Блокирующее устройство может соединяться через адаптер 14 с муфтой или держателем инструмента. Тормоз 15 обеспечивает блокировку блокирующего прибора, при которой становится невозможным ручное или автоматическое регулирование.
На фиг.4 и 5 показан предпочтительный вариант осуществления в блокированном состоянии вид сбоку и сзади. В сравнении с фиг.2 и 3 блокирующий палец 9 теперь находится в выступающем состоянии (блокирующее состояние). В показанном блокирующем состоянии направляющий штифт выставлен так, что срабатывает датчик 13, который осуществляет мониторинг блокирующего положения (правый датчик на фиг.2, левый датчик на фиг.3).
Перечень ссылочных позиций:
1: Блокирующее устройство
2: Система управления
3: Держатель инструмента
4: Электрический двигатель
5: Редуктор
6: Приводной вал
7: Скользящий вал
8: Осевая направляющая
9: Блокирующие пальцы
10: Муфта
11: Направляющая скольжения
12: Направляющий штифт
13: Система мониторинга конечного положения
14: Адаптер
15: Тормоз
16: Кожух
17: Удлинитель направляющего штифта