КЛЮЧ ДЛЯ СВИНЧИВАНИЯ И РАЗВИНЧИВАНИЯ ЗАМКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ СКВАЖИННЫХ ТРУБ

Устройство полезной модели относится к буровой технике и может быть использовало на буровых установках для механизации спуско-подъемных операций, при сборке или разборке бурильных и обсадных колонн.
В настоящее время на буровых установках применяются ключи различных типов, предназначенные для свинчивания бурильных и обсадных труб, при этом операции по докреплению или раскреплению резьбовых соединений выполняются либо вручную с использованием комплектов машинных ключей, и пневмораскрепителей, либо ключами, оснащенными многоступенчатыми приводами настройки скоростей вращения и крутящих моментов.
Наиболее распространенными ключами для свинчивания или развинчивания бурильных труб является автоматический буровой ключ типа АКБ с открытым зевом оснащенный пневматическими приводами вращения верхней трубы, и стопорения нижней трубы (1).
К недостаткам этих ключей следует отнести:
- ограниченную возможность применения труб по диаметрам;
- ограниченную возможность по величине передачи трубам крутящего момента при ввинчивании или развинчивании.
Известны ключи высокой степени механизации, имеющие встроенные захватные органы, выполненные в виде двух сооснорасположенных механизмов установленных на консольных опорных площадках и соединенных посредством направляющих вертикального перемещения с поворотными, относительно общих осей кронштейнами и снабженных узлом позиционирования устройства. В этих ключах для стопорения нижней трубы и вращения верхней трубы используются раздельные отвода, выполненные в виде многоступенчатого редуктора с гидромотором для вращения верхней трубы и в виде гидроцилиндров шарнирно соединенных с наружными и внутренними корпусами для стопорения нижней трубы (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11).
Вариант (11) выбран за прототип.
Недостатками прототипа являются:
- обязательное наличие жестких направляющих потребных для гашения реактивных моментов при работе с раздельными приводами вращения и стопорения труб;
- сложность конструкции, выраженная наличием приводов с многоступенчатой системой механической настройки крутящих моментов и частот вращения;
- повышенные контактные и изгибающие напряжения на губчатые элементы при передаче им высоких крутящих моментов, что приводит к увеличению габаритов, массы и уменьшению надежности работы ключа;
- повышенная трудоемкость по обслуживанию ключа при замене захватных органов при переходе от одного диаметра труб на другой;
- ограниченная возможность применения ключей на буровых установках оснащенных автоматической, системой, подачи труб (ACП);
- ограниченная возможность использования ключей, при сборке компановок и свечей;
Указанные проблемы стимулировали поиск новых технических решений.
Предложенное устройство полезной модели направлено:
на исключение передачи реактивных моментов на внешние конструкции буровой установки, на увеличение функциональных возможностей работы ключа, на сокращение времени замены захватных элементов верхних и нижних рабочих органов ключа и элементов тормозной системы с одновременным обеспечением надежности узлов при увеличении нагрузок на замковые соединения труб.
а также па использование ключа для поворота всей буровой колонны при аварийных ситуациях, или вращения обсадной колонны при ее спуске, и для сборки-разборки компановок или свечей.
Эта задача решается путем применения в конструкции ключа отдельных технологических узлов объединенных в единый технологический блок, включающий:
- верхний корпус (вращатель труб) со встроенным устройством докрепления-раскрепления резьб,
тормозным устройством, роторным колесом с трубозажимным устройством и комплектом зубчатых колес;
- нижний корпус (ключ стопорный) со встроенным роторным колесом с трубозажимным устройством, механизмом докрепления-раскрепления резьб и комплектом зубчатых колес;
- общий для вращения и стопорения труб приводной блок, содержавший дифференциальный редуктор и быстроходный редуктор с двумя гидромоторами;
- позиционер, содержащий стол со встроенными в нем механизмами горизонтального и вертикального перемещения ключа;
- устройство подачи смазки на резьбовую часть ниппеля навинчиваемой трубы (свечи);
При этом корпуса выполнены разъемными, с возможностью их ввода на ось скважины или их вывода из оси скважины оснащены
Общим приводным блоком состоящий из кинематически связанных валом быстроходного редуктора и дифференциального блока с возможностью вращения верхней трубы и стопорения нижней трубы, и кинематически не связанных с дифференциальным блоком устройства докрепления-раскрепления резьб,
при этом устройство докрепление-раскрепление верхнего корпуса содержит тормозная, шкив, жестко соединенный, трубозажимным устройством, четыре прижимные колодки, радиально размещенные по периметру шкива, и скобообразную обойму с размещенными в ней гидроцилиндрами прижима колодок к шкиву и имеющая в средней части зубчатый сектор, находящийся во взоимодействии в верхней части через шестерню и рейку с двумя гидроцилиндрами; а в нижней части через рейку с двумя другими гидроцилиндрами от воздействия которых и гидроцилиндров прижима колодок обратная реакция взаимно уничтожается, а обойма, тормозной шкив и роторное колесо с трубозажимным устройством получают дополнительный крутящий момент.
В свою очередь устройство докрепления-раскрепления резьб нижнего корпуса снабжено двумя гидроцилиндрами связанные штокам с роторным колесом, а корпусами через шарнирные оси с корпусом ключа, при этом реактивные моменты от дефферинциального редуктора и действия гидроцилиндров направлены друг к другу с
противоположными знаками обеспечив дополнительный момент стопорения нижней трубы.
Дополнительно верхний корпус снабжен устройством подачи смазки на резьбовую часть ниппеля, установленный на скобообразную обойму и содержит корпус со встроенными ползунами оснащенные щприцевыми механизмами имеющие возможность радиального перемещения.
А также верхний корпус выполнен с возможностью его поворота относительно оси трубозажимного устройства и его подъема или опускания относительно нижнего корпуса, а нижний корпус снабжен выдвижными упорами для фиксации верхнего корпуса, а кронштейнами и стяжками жестко соединен с двумя горизонтальными реечными скалками размещенных в столе позиционера ключа с возможностью горизонтального и вертикального перемещения.
Технический результат при осуществлении устройства полезной модели выражается в использовании в конструкции ключа блочной системы отдельных узлов, оснащенных соответствующими механизмами при взаимодействии которых выполняются операции:
- по свинчиванию-развинчиванию замковых соединенных труб с высокими моментами кручения и стопорения труб с гашением реактивных моментов внутри собственного корпуса ключа и
существенного уменьшения нагрузок на зубчатые элементы вращателя и стопорного ключа, обеспечивал надежность срабатывания замковых элементов трубозажимных устройств;
- быстрой замены трубозажимных устройств или их элементов при износе или переходе на другой типоразмер по диаметру скваженных труб за счет использования быстросъемного верхнего корпуса и блочных узлов трубозажимных элементов;
- быстрой замены элементов тормоза при их износе за счет применения сборочных узлов не связанных с общей разборкой ключа.
Другими факторами обеспечивающими технический результат являются:
- увеличение функциональных возможностей в части расширения диапазона диаметров применяемых труб, повышения крутящих моментов, возможности осуществления установки ключа в подвесном варианте, работы ключа, как с ручной расстановкой труб, так и с установкой оснащенной АСП;
- применение отдельного механизма подачи смазки на резьбовую часть ниппеля навинчиваемой трубы;
- простота конструкции, ее обслуживание, сборка, наладка и разборка отдельных узлов за счет использования блочных элементов;
- высокая взаимозаменяемость рабочих органов верхнего и нижнего трубозажимных устройств;
- высокая технологичность и сравнительно низкая себестоимость изготовления.
Это позволяет сделать вывод о применении нетрадиционных решений при разработке ключа, о его новизне, высоком уровне конструкции, а возможность изготовления ключа в условиях машиностроительного предприятия не вызывает сомнения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления устройства полезной модели поясняются чертежами, где:
На фиг.1 - представлен общий вид ключа сбоку;
На фиг.2 - представлен общий вид ключа в продольном разрезе;
На фиг.3 - представлен вид нижнего корпуса по разрезу А-А;
На фиг.4 - представлен вид верхнего корпуса по разрезу Б-Б;
На фиг.5 - представлен вид механизма подачи смазки на резьбовую часть ниппеля, вид сверху;
На фиг.6 - представлен вид по разрезу В-В.
Ключ состоит от отдельных технологических узлов: нижнего корпуса 1, верхнего корпуса 2, общего приводного блока 3, механизма позицирования 4 и механизма подачи смазки на резьбовую часть ниппеля 5.
Нижний и верхний корпуса с передней стороны имеют разъем и связаны между собой боковыми откидными направляющими 6, при этом верхний корпус установлен в цилиндрическую расточку
стакана 7 нижнего корпуса и зафиксирован, от поворота выдвижными у порами 8.
В свою очередь, нижний корпус 1 содержит раму 9, состоящую из нижнего опорного листа 10, верхнего листа 11 и боковых листов 12, соединяющих верхние и нижние листы, при этом в листе 10 встроены опоры 13, на которые установлено роторное колесо 14, а на лист 11 установлен стакан 7.
Роторное колесо 14 с внутренней стороны имеет копирную поверхность 15, в которую установлено трубозажимное устройство 16, содержащее обойму 17 и четыре ползуна 18 имеющие со стороны копирной поверхности роликовую опору 19, а со стороны трубы челюсть с плашкой из твердого сплава 20.
Обойма 17 зафиксирована с нижним листом 10 дюбелями 21.
Между листами 10 и 11 встроены два промежуточных блока 22, из которых один сопряжен зацеплением с роторным колесом 14, а другой с приводной шестерней 23 приводного блока 3. Со стороны приводного блока 3 в цилиндрическую расточку листа 11 установлен стакан 24, на который установлен приводной блок 3.
Стакан 24 имеет две горизонтальные цилиндрические расточки, в которые вставлены выдвижные упоры 8.
По боковым поверхностям 12 рамы 9 с каждой стороны установлены:
со стороны оси трубозажимного устройства 16 - гидроцилиндр 25 подъема верхнего корпуса 2, скоба 26 для откидных направляющих 6, гидроцилиндр докрепления-раскрепления резьб 27, со стороны привода - две площадки 28 для встройки в них стяжек 29, посредством которых нижний, корпус 1 скреплен с реечными скалками 30 механизма позицирования 4, а с передней стороны корпус 1 имеет два кронштейна 31, к которым прикреплены скалки 30.
Верхний корпус 2 (фиг.4) также содержит сварную раму 32, состоянию из нижнего опорного листа 33, верхнего листа 34 и боковых листов 35.
На нижнем листе 33 встроены опорные ролики 36, на которые установлено роторное колесо 37 также имеющие копирную поверхность 15 и трубозажимное устройство 16, обойма 17 которого зафиксирована дюбелями 21 со шкивом 38 тормозного устройства 39.
Между листами 33 и 34 встроены два промежуточных блока 40 и промежуточный блок 41, которые сочленены зацеплением: блоки 40 с роторным колесом 37 и блоком 41, а блок 41 с приводной шестерней 42 приводного блока 3.
На верхнем листе 33 по оси трубозажимого устройства 16 установлено тормозное устройство 39 состоящее из шкива 38, скобообразной обоймы 43 с размещенными внутри нее в
горизонтальных расточках восьми гидроцилиндров 44 и четырех тормозных колодок 45.
Обойма 43 имеет три выступа, из которых два выступа 46 размещены по краям обоймы, а один 47 по центру обоймы, при этом выступ 47 выполнен с зубчатым сектором 48.
На верхнем листе 33 также установлен механизм докрепления-раскрепления резьб 49, которым, состоит из двух пар гидроцилиндров 50 и 51, двух реек 52 и 53, и зубчатой шестерни 54. При этом рейка 52 непосредственно связана зацеплением с зубчатым сектором 48 в нижней части, а рейка 53 связана зацеплением с сектором 48 в верхней части через зубчатую шестерню 54.
Гидроцилиндры 50 взаимодействуют с рейкой 52 обеспечивают докрепление резьб при свинчивании, а гидроцилиндры 51 и рейка 53 обеспечивают раскрепление резьб при развинчивании.
По боковым поверхностям корпуса 2 также установлены скобы 26 для откидных направляющих 6, а нижний лист дополнительно снабжен центрирующим стаканом 55.
Приводной блок 3 устанавливается в расточку стакана 24 и состоит из дифференциального редуктора 56 и быстроходного редуктора 57 со встроенными гидромоторами 58.
Механизм позицирования ключа 4 состоит из двух самостоятельных узлов: стола 59 (верхнего основания) и нижнего
основания 60 содержащего подвижную колонну 61 со встроенным гидроцилиндром 62 подъема стола.
В свою очередь, стол 59 по боковым поверхностям имеет два продольных паза, в которые установлены реечные скалки 30 соединенные зацеплением через шестеренные блоки 65 с гидроцилиндрами горизонтального перемещения 66 встроенные в корпусе стола 59 (на чертеже не показан).
Устройство подачи технологической смазки 5 установлен на скобообразную обойму 43 тормозного устройства 39, состоит из корпуса 67, имеющего радиальные поправляющие 68, в которые встроены четыре ползуна 69 с блоком форсунки 70.
Каждый ползун 69 имеет внутреннюю цилиндрическую расточку 71, в которую установлен золотник с поршнем 72 и пружина 73.
Для радиального перемещения корпуса 69 с форсункой 70 используется винтовой механизм 74.
Ключ работает следующим образом:
- при одновременной замене трубозажимных устройств 16 у нижнего корпуса 1 и верхнего корпуса 2 производится отсоединение откидных направляющих 6, отвод выдвижных упоров 8 внутрь стакана 24 и вручную верхний корпус поворачивают относительно оси трубозажимного устройства, выводя его из расточки стакана 24. После чего, с помощью крана извлекается верхний корпус из центрирующего стакана 7.
Замена трубозажимных устройств 16 производится: у верхнего корпуса 2 путем извлечения тормозного шкива 38 вместе с трубозажимным устройством 16 и последующего его отсоединения; у нижнего корпуса путем снятия стакана 7 и отсоединения болтов скрепляющих обойму 17 с нижним листом 10, после чего трубозажимное устройство 16 извлекается из роторного колеса 14. Свинчивание или развинчивание замковых соединений с докреплением или раскреплением резьб производится по схеме: при свинчивании труб - отклонением рукоятки управления манипулятора включается гидропровод ключа. Вращение и крутящий момент от гидромоторов 58 через зубчатые передачи приводного блока 3, промежуточные шестерни 22 нижнего корпуса, промежуточные шестерни 40 и 41 верхнего корпуса передаются роторным колесам 14 и 37 с противоположными друг к другу направлениями. Одновременно автоматически подается дарение в гидроцилиндры 44 тормоза 39, колодки 45 прижимаются к шкиву 38, затормаживая его, а через него и роторное колесо 37. В начале происходит схождение твердосплавных плашек 20 на муфте трубы 75, при этом обойма 17 зафиксированная дюбелями 21 с листом 10 корпуса 1 остается неподвижной.
При достижении определенной величины давления в гидросистеме, приводится во вращение роторное колесо 37 и происходит схождение твердосплавных плашек 20 к верхней трубе 76 с
последующим ее зажатием, после чего, роторное колесо 37 и трубозажимное устройство 16 вращаются вместе как одно целое, а трубе 76 передаются крутящие моменты за счет сцепления плашек 20 с трубой 76 под действием тормозного момента тормозного устройства 39.
При касании торцев ниппеля 76 с муфтой трубы 75 происходит редкое возрастание сопротивлений, что приводит к увеличению давления в гидросистеме и, при достижении определенной величины давления, автоматически открывается клапан в гидросистеме, и рабочая жидкость поступает в гидроцилиндры 50 механизма докрепления резьб верхнего корпуса 2 и гидроцилиндры 27 механизма докрепления резьб нижнего корпуса 1. Происходит процесс докрепления резьб.
При развинчивании труб отклонением рукояти управления включается гидросистема на максимальное давление, при котором рабочая жидкость одновременно поступает в гидроцилиндры 51 и 27 механизмов раскрепления резьб, в гидроцилиндры 44 тормоза 39 и гидромоторы 58 - происходит срыв резьбы. Одновременно с началом раскрепления подается давление в гидроцилиндры 25 подъема верхнего корпуса 2.
При завершении операций по свинчиванию или развенчиванию труб ключ отводится от оси скважины в резервную позицию посредством реечных скалок 30, шестеренных блоков 65 и гидроцилиндров 66.
Смазка резьбовой, части ниппеля навинчиваемой трубы 76 производится по схеме:
ключ опущен в нижнее положение, его блоки 69 с форсунками 70 находятся в позиции резьбовой части ниппеля трубы 76, предварительно встащенной в муфту колонны 75.
Подаемся давление в поршневую часть золотника 72, пружины 73 сжимаются отводя золотник 72, образуя емкость в передней, части блока 72, в которую подается порция смазки.
При снятии давления пружины 73 разжимаются, перемещая золотник 72 и выдавливают порцию смазки через форсунки на резьбовую часть ниппеля, после чего ключ поднимается в позицию свинчивания-развинчивания.
Источники информации
1. Буровой ключ автоматический стационарный АКБ-3М2
2. Патент США №3550485 МКИ Б 25 В 17/00
3. Патент США №4585079 МКИ Е 21 В 3/04
4. Авторское свидетельство №1170111 МКИ E 21 B 19/16
5. Авторское свидетельство №1640352 МКИ Е 21 В 19/16
6. Авторское свидетельство №1498904: МКИ Е 21 В 19/16; 19/00
7. Авторское свидетельство №1661335 МКИ Е 21 В 19/16
8. Патент №20119677 МКИ 5 ЕИВ 19/16
9. Патент №2078901 МКИ E 21 В 19/16
10. Патент №2086400 МКИ Е 21 В 19/16
11. Авторское свидетельство №1357537 МKИ E 21 B 19/16 (прототип)