Устройство для свинчивания или развинчивания резьбового соединения элементов устьевой арматуры скважины высоковязкой нефти
DEVICE FOR SCREWING OR UNSCREWING THREADED CONNECTION OF WELLHEAD COMPONENTS OF HIGH-VISCOSITY OIL WELL

Изобретение относится к области нефтегазового оборудования, а именно к инструментам для свинчивания или развинчивания резьбового соединения элементов устьевой арматуры скважины высоковязкой нефти на скважине сверхвязкой нефти с наклонным устьем.
В настоящее время существует множество конструкций трубных ключей, предназначенных для свинчивания или развинчивания резьбовых соединений насосно-компрессорных труб как вручную, так и с применением автоматических ключей (пневматических, гидравлических, механических). В основном применяются ключи шарнирные и цепные (КТНД, КТГУ, КЦО, КЦН, КЦ и др.). Все они имеют различные конструкции и механизмы захвата трубы.
Известно устройство свинчивания или развинчивания резьбового соединения труб, включающее два соосных механизма зажима труб, кинематически связанные валом редуктора (патент РФ № 2273716, опубл. 10.04.2006). Устройство снабжено двумя зубчатыми колесами, каждое из которых посредством подшипниковых опор установлено в корпусе соответствующего ключа с возможностью взаимодействия с соответствующим механизмом зажима труб и двумя промежуточными шестернями, каждая из которых установлена в корпусе соответствующего ключа с возможностью взаимодействия с соответствующим зубчатым колесом, привод ключей выполнен общим и состоит из и блока дифференциала, состоящего из корпуса с наружными и внутренними эвольвентными зубьями, водила с установленным в нем тремя сателлитами и размещенного в корпусе ключа вращателя труб, ведомой шестерней, кинематически связанной с водилом и установленной в корпусе стопорного ключа с возможностью взаимодействия с соответствующей промежуточной шестерней, причем наружные эвольвентные зубья корпуса блока дифференциала расположены в корпусе ключа вращателя труб с возможностью взаимодействия с его промежуточной шестерней; при этом механизм зажима ключа вращателя труб жестко соединен с тормозным шкивом тормозной системы, которая в свою очередь установлена на корпусе ключа вращателя труб и содержит четыре тормозные колодки и цилиндрическую обойму со встроенными в ней гидроцилиндрами прижима тормозных колодок с возможностью поворота цилиндрической обоймы совместно со шкивом и механизмом зажима труб вращателя ключа относительно оси механизма зажима труб, при этом дополнительно цилиндрическая обойма снабжена двумя упорами, из которых один упор жестко связан с цилиндрической обоймой и установлен с возможностью взаимодействия с двумя гидроцилиндрами докрепления-раскрепления резьб, а другой упор связан с цилиндрической обоймой через шарнирную ось и установлен с возможностью взаимодействия с двумя другими гидроцилиндрами докрепления-раскрепления резьб, обеспечивая таким образом гашение обратных реакций и увеличение крутящих и стопорных моментов механизмами зажима труб.
Известно устройство свинчивания или развинчивания резьбового соединения труб, включающее два соосных механизма зажима труб, кинематически связанные валом редуктора (а.с. SU № 695807, опубл. 05.11.1979). Неподвижная труба жестко закрепляется в патроне пневмогидроцилиндром. Включается привод, от которого через муфту и шестерни получает вращение подвижная труба.
Недостатками известных устройств являются:
- низкая эффективность и безопасность использования применяемых в настоящее время устройств и инструмента для свинчивания или развинчивания резьбовых соединений устьевых арматур типа арматура устьевая двухствольная (АУД) и арматура одноствольная двухрядная (АОД) на скважине сверхвязкой нефти с наклонным устьем (направление - добыча сверхвязкой нефти (СВН));
- сложность достижения требуемого крутящего момента (от 13000 до 16000Н*м), влекущее за собой пропуски пара, для устранения которых требуется повторный подход бригады подземного ремонта скважины, с целью устранения негерметичности резьбовых соединений арматур;
- невозможность использования для свинчивания элементов арматур  известных моделей гидравлических и пневматических ключей, из-за габаритных размеров.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для свинчивания или развинчивания резьбового соединения труб, включающее круговой ключ с наружным зубчатым ободом в виде как минимум двух секторов, жестко фиксируемых на поверхности вращаемой трубы, и шестернёй, выполненной с возможностью взаимодействия с зубчатым ободом ключа и надетой на ось с возможностью вращения при помощи привода, который жестко соединен с устьевой арматурой (а.с. SU № 71990, опубл. 30.04.1948). К устью скважины при помощи болтов укреплена планшайба с кронштейном. Плотно стягивают муфту трубы с элеватором. Вставив резьбу трубы в резьбу муфты, на трубу выше резьбы надевают круговой ключ, корпус которого состоит из двух половин, соединенных между собою шарниром, запорным приспособлением, и ручки с сектором, имеющим на поверхности зубья. Наружный зубчатый обод выполнен в форме катушки, по окружности которой вставлены пальцы с роликами. Подвинув корпус ключа при помощи рукоятки справа налево, зубчатку вводят в соприкосновение с роликами зубчатого обода кругового ключа, после чего стягивают корпус зажимом в желаемом положении. При включении электродвигателя ведущая шестерня, вращаясь, увлекает ведомую шестерню, намертво соединенную с зубчаткой.
Недостатками известного устройства являются:
- низкая эффективность использования устройства для свинчивания или развинчивания резьбовых соединений устьевых арматур типа АУД и АОД на скважине с наклонным устьем (направление - добыча сверхвязкой нефти), при условии требования создания высокого крутящего момента (от 13000 до 16000Н*м), из-за ограниченных технологических возможностей устройства, его габаритных размеров и конструкции зацепления наружного зубчатого венца с зубчаткой;
- низкая безопасность использования устройства при выполнении процесса свинчивания или развинчивания, требующего повторные подходы персонала бригады подземного ремонта скважины;
- не достижение требуемой герметичности по резьбовым соединениям устьевых арматур типа АУД, АОД на скважине сверхвязкой нефти с наклонным устьем;
- высокая металлоемкость, связанная с наличием большого количества деталей;
- сложность в изготовлении и использовании устройства.
Техническими задачами изобретения являются повышение эффективности использования устройства для свинчивания или развинчивания резьбовых соединений устьевых арматур типа АУД и АОД на скважине сверхвязкой нефти с наклонным устьем (направление - добыча сверхвязкой нефти), при условии требования создания высокого крутящего момента (от 13000 до 16000Н*м), за счет снижения габаритных размеров, качественного обеспечения кинематической связи и расширения технологических возможностей, повышение безопасности использования устройства при выполнении процесса свинчивания или развинчивания, недопущение повторных подходов бригад подземного ремонта скважины, достижение герметичности резьбового соединения арматур типа АУД, АОД, исключающей прорыв пара и нефтегазоводопроявления, снижение металлоемкости, упрощение конструкции и повышение уровня безопасности процесса выполнения свинчивания или развинчивания резьбовых соединений устьевых арматур типа АУД и АОД на скважине сверхвязкой нефти с наклонным устьем.
Технические задачи решаются устройством для свинчивания или развинчивания резьбового соединения элементов устьевой арматуры скважины высоковязкой нефти, включающим круговой ключ с разъемным наружным зубчатым ободом в виде двух секторов, жестко фиксируемых на поверхности свинчиваемой части арматуры, и шестерней, выполненной с возможностью взаимодействия с зубчатым ободом ключа и надетой на вал, с возможностью вращения при помощи привода.
Новым является то, что наружная часть зубчатого обода выполнена в виде зубчатого венца, кинематически связанного с шестерней, и зафиксированного винтовыми зажимами, привод выполнен в виде мотор-редуктора,жестко соединенного с неподвижной частью устьевой арматурыпри помощи хомута, охватывающего устьевую арматуру снаружи по периметру, и соединенного с мотор-редуктором через подрамник, выполненный из двух металлических пластин, соединенных винтовыми зажимами, обеспечивающими кинематическую связь шестерни с зубчатым венцом, выходной вал мотор-редуктора жестко соединен с осью шестерни, при этом внутренняя поверхность хомута и зубчатого венца выполнены с насечками в виде зубьев, обеспечивающих стопорение и фиксацию на цилиндрических поверхностях арматуры.
На фигуре изображен внешний вид устройства для свинчивания или развинчивания резьбового соединения элементов устьевой арматуры скважины высоковязкой нефти с наклонным устьем.
Сущность изобретения заключается в следующем.
Устройство для свинчивания или развинчивания резьбового соединения элементов устьевой арматуры скважины высоковязкой нефти включает круговой ключ с разъемным наружным зубчатым ободом 1, в виде двух секторов жестко фиксируемых на поверхности свинчиваемой 2 части арматуры, и шестерней 3, выполненной с возможностью взаимодействия с зубчатым ободом 1 ключа и надетой на вал, с возможностью вращения при помощи привода. Разъемный наружный зубчатый обод выполнен в виде зубчатого венца 1, кинематически связанного с шестерней 3, и зафиксированного винтовыми зажимами на поверхности свинчиваемой 2 части арматуры. Привод выполнен в виде мотор-редуктора 4,например Sumitomo серия «Drive6000», жестко соединенного с неподвижной частью 5 устьевой арматурыпри помощи хомута 6, охватывающего устьевую арматуру снаружи по периметру, и соединенного с мотор-редуктором 4 через подрамник 7, выполненный из двух металлических пластин, соединенных винтовыми зажимами, обеспечивающими кинематическую связь шестерни 3 с зубчатым венцом 1. Выходной вал мотор-редуктора 4 жестко соединен с осью шестерни 3. Внутренняя поверхность хомута 6 и зубчатого венца 1 выполнены с насечками в виде зубьев, обеспечивающих стопорение и фиксацию на цилиндрических поверхностях арматуры и исключающих проворот/проскальзывание. Изобретение обеспечивает повышение эффективности использования устройства для свинчивания или развинчивания резьбовых соединений устьевых арматур типа АУД и АОД на скважине с наклонным устьем (направление - добыча сверхвязкой нефти), при условии требования создания высокого крутящего момента (от 13000 до 16000Н*м), за счет снижения габаритных размеров, качественного обеспечения кинематической связи шестерни с зубчатым венцом и расширения технологических возможностей, повышение безопасности использования устройства при выполнении процесса свинчивания или развинчивания, снижает необходимость повторных подходов бригад подземного ремонта скважины для достижения герметичности резьбового соединения арматур АУД, АОД, исключающих прорыв пара и нефтегазоводопроявления. А также снижена металлоемкость, упрощена конструкция, обеспечивающая снижение сложности в изготовлении и использовании устройства, и повышен уровень безопасности процесса выполнения свинчивания или развинчивания резьбовых соединений устьевых арматур типа: АУД и АОД на скважине с наклонным устьем.
Устройство для свинчивания или развинчивания резьбового соединения элементов устьевой арматуры скважины высоковязкой нефти работает следующим образом.
Два, взаимно свинчиваемых, элемента арматуры 2 и 5 предварительно свинчивают (наживляют) вручную на 3-5 оборота.
2
-
Малогабаритный мотор-редуктор 4 (например, Sumitomo серия «Drive6000» цевочного типа, Мкр = 17700 Н*м, Nэл.дв. = 4 кВт, n = 1,9 мин¹), предварительно смонтированный на регулируемый подрамник 7, выполненный из двух металлических пластин, соединенных винтовыми зажимами, обеспечивающими кинематическую связь шестерни 3 с зубчатым венцом. Нижняя пластина подрамника жестко соединена с разъемным зубчатым хомутом 6 и фиксирующими опорами, наружная поверхность которых снабжена насечками в виде зубьев, обеспечивающих стопорение и фиксацию на цилиндрической поверхности арматуры. Мотор-редуктор крепят к неподвижной части 5 арматуры, например к муфтовой части с помощью разъемного зубчатого хомута 6, охватывающего устьевую арматуру снаружи по периметру, и фиксируют винтовыми зажимами. На валу мотор-редуктора 4 устанавливают ведущее зубчатое колесо - шестерню 3.
На свинчиваемую часть арматуры 2, например выше ниппельной части монтируют разъемный зубчатый венец 1, посредством разъемного зубчатого хомута и фиксируют специальными винтовыми зажимами, с целью недопущения проворота/проскальзывания.
Зубчатый венец 1 позиционируют относительно ведущей шестерни 3 мотор-редуктора 4, с целью достижения зубчатой передачи и обеспечения кинематической связи шестерни 3 с зубчатым венцом 1. Вращением регулировочных винтов на регулируемом подрамнике мотор-редуктора 4 производят регулировку необходимого зазора зубчатой передачи с внешним зацеплением: «шестерня 3 мотор-редуктора + зубчатый венец 1».
Внутренняя поверхность хомута 6 и зубчатого венца 1 выполнены с насечками в виде зубьев, обеспечивающих стопорение и фиксацию на цилиндрических поверхностях арматуры.
Монтажно-демонтажные работы и позиционирование мотор-редуктора на устьевой арматуре скважины с наклонным устьем производит ремонтная бригада ПРС/КРС с использованием штатной вспомогательной лебедки, например агрегата АПРС-40Н или К-54, а монтажно-демонтажные работы и позиционирование зубчатого венца персонал бригады производит с использованием слесарного инструмента (ключи накидные, торцовые).
При включении мотор-редуктора с дистанционного кнопочного пульта управления разъемный зубчатый венец (ведомый) обкатывается ведущей шестерней мотор-редуктора и тем самым производится свинчивание резьбового соединения, а включением реверса - развинчивание резьбовых частей арматуры.
2
-
Контроль момента свинчивания осуществляют визуально, контролируя количество свинченных витков резьбы относительно торца муфтового соединения. Скорость свинчивания резьбовых соединений с помощью мотор-редуктора относительно низкая n = 1,9 мин¹, что позволяет дистанционно с пульта управления (вкл/выкл) оперативно корректировать и контролировать процесс свинчивания или развинчивания резьбовых соединений.
Возможен вариант обеспечения точного контроля момента свинчивания по параметру загрузки мощности электродвигателя мотор-редуктора, либо установкой тензодатчика.
По мере свинчивания или развинчивания резьбовой пары «ниппельная часть-муфтовая часть» устьевой арматуры компенсация зацепления между парой ведущая и ведомая шестерни производят путем переустановки разъемного зубчатого венца на свинчиваемой части арматуры. Соотношение ширины ведущей шестерни к ведомой шестерне соответствует 1:3, что уменьшает количество циклов переустановки разъемного зубчатого венца. Переустановку разъемного зубчатого венца производят путем ослабления крепежа слесарным инструментом.
Демонтаж устройства осуществляют в обратной последовательности.
Устройство для свинчивания или развинчивания резьбового соединения элементов устьевой арматуры скважины высоковязкой нефти обеспечивает повышение эффективности использования устройства для свинчивания или развинчивания резьбовых соединений устьевых арматур типа АУД и АОД на скважине с наклонным устьем (направление - добыча сверхвязкой нефти), при условии требования создания высокого крутящего момента (от 13000 до 16000Н*м), за счет снижения габаритных размеров, качественного обеспечения кинематической связи и расширения технологических возможностей, повышение безопасности использования устройства при выполнении процесса свинчивания или развинчивания, снижает необходимость повторных подходов бригад подземного ремонта скважины для достижения герметичности резьбового соединения арматур АУД, АОД, исключающих прорыв пара и нефтегазоводопроявления. А также снижена металлоемкость, упрощена конструкция, обеспечивающая снижение сложности в изготовлении и использовании устройства, и повышен уровень безопасности процесса выполнения свинчивания или развинчивания резьбовых соединений устьевых арматур типа АУД и АОД на скважине с наклонным устьем.