ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ КЛЮЧ ДЛЯ СВИНЧИВАНИЯ И РАЗВИНЧИВАНИЯ ТРУБ

Полезная модель относится к области гидрофицированного (гидроприводного) нефтяного технологического оборудования и может быть использована для механизации процессов соединения (свинчивания) и разъединения (развинчивания) бурильных и насосно-компрессорных труб (НКТ) при капитальном и подземном ремонте скважин.
Как правило, гидравлические ключи (гидроключи) для свинчивания и развинчивания труб состоят из трех основных частей:
- средства для преобразования энергии потока рабочей жидкости во вращательное движение,
- средства для захвата и вращения,
- средства для захвата и фиксации.
Средство для захвата и вращения устанавливается на одной из свинчиваемых (развинчиваемых) труб, средство для захвата и фиксации - на другой из развинчиваемых (свинчиваемых) труб.
В процессе свинчивания (развинчивания) расстояние между трубами меняется, поэтому гидроключи часто содержат специальный компенсирующий механизм - компенсатор.
К трубам в процессе их свинчивания и развинчивания требуется прикладывать различные усилия в зависимости от этапов выполнения этих работ, Поэтому конструкция гидроключей должна обеспечивать получение на выходе различных по величине моментов кручения.
Известен гидравлический ключ для свинчивания и развинчивания труб [1], содержащий гидромотор и кинематически связанный с ним трубозажимный механизм.
Данный гидравлический ключ не обеспечивает получение на выходе различных скоростей (моментов) вращения.
Известен гидравлический ключ для свинчивания и развинчивания труб [2], содержащий односекционный гидромотор с выходным валом, кинематически связанным с трубозажимным механизмом, гидрораспределитель с первой и второй секциями, выполненными с возможностью позиционирования золотников в положениях «прямой ход», «обратный ход» и «холостой ход», компенсатор, выполненный на основе гидроцилиндра и кинематически связанный с трубозажимным механизмом, соединенные последовательно предохранительный и обратный клапаны и включенный параллельно им подпорный клапан, при этом первая секция гидрораспределителя соединена с напорной и сливной магистралями и магистралями гидромотора, вторая секция гидрораспределителя подключена к напорной и сливной магистралям и магистрали гидроцилиндра, а подпорный клапан включен между напорной магистралью и магистралью гидроцилиндра,
Основной недостаток указанного гидроключа - невозможность получения на выходном валу гидромотора различных по величине скоростей вращения и крутящих моментов, которые необходимы при выполнении операций свинчивания и развинчивания НКТ,
Наиболее близкой полезной моделью к заявляемому гидроключу по технической сущности и схемному решению является гидравлический ключ для свинчивания и развинчивания труб, описанный в [3].
Такой гидроключ, выбранный в качестве прототипа, содержит односекционный гидромотор с выходным валом, с которым кинематически связаны соединенные последовательно двухскоростная коробка передач, редуктор и ротор с трубозажимным механизмом, односекционный гидрораспределитель, выполненный с возможностью позиционирования золотника в положениях «прямой ход» и «обратный ход» и соединенный через канал высокого давления, дренажный канал и пару рабочих каналов соответственно с напорной и сливной магистралями и магистралями гидромотора, предохранительный клапан, соединяющий напорную и сливную магистрали, и кинематически связанные стопор и компенсатор.
Данный гидроключ, в отличие от гидроключа [2], благодаря наличию коробки передач позволяет получать на своем выходе две скорости (два момента) вращения. Тем не менее, данный гидроключ характеризуется следующими недостатками:
- относительно узкий диапазон скоростей (крутящих моментов) на выходе,
- необходимость отключения (остановки) внешнего нагнетателя рабочей жидкости перед выполнением операции переключения скорости,
- «механический» принцип переключения скоростей, приводящий к усложнению конструкции (привода) гидроключа.
Задачей настоящей полезной модели является устранение указанных недостатков - получение на выходе гидроключа более широкого диапазона скоростей (крутящих моментов) посредством использования гидравлического принципа управления работой ключа и исключения из его конструкции «механической» коробки передач,
Для достижения указанного технического результата заявляемый гидравлический ключ для свинчивания и развинчивания труб, содержащий первую секцию гидромотора с выходным валом, гидрораспределитель с первой секцией, выполненной с возможностью позиционирования золотника в положениях «прямой ход» и «обратный ход» и соединенной через первый канал высокого давления, первый дренажный канал и первую пару рабочих каналов соответственно с напорной и сливной магистралями и магистралями первой секции гидромотора, предохранительный клапан, соединяющий напорную и сливную магистрали, кинематически связанные редуктор и ротор с трубозажимным механизмом, а также кинематически связанные стопор и компенсатор, отличается тем, что гидромотор и гидрораспределитель снабжены соответствующими вторыми секциями, причем вторая секция гидромотора размещена на выходном валу первой секции гидромотора и выполнена с рабочим объемом, отличным от рабочего объема первой секции гидромотора, вторая секция гидрораспределителя через второй канал высокого давления, второй дренажный канал и вторую пару рабочих каналов соединена соответственно с первым каналом высокого давления, первым дренажным каналом и магистралями второй секции гидромотора, при этом первая и вторая секции гидрораспределителя выполнены с возможностью дополнительного позиционирования золотников в промежуточном положении «холостой ход» и через включенные последовательно пропускные каналы соединены с напорной и сливной магистралями, а редуктор кинематически связан с выходным валом первой секции гидромотора.
Основными признаками, отличающими заявляемое устройство от прототипа, являются:
- гидромотор и гидрораспределитель снабжены соответствующими вторыми секциями,
- вторая секция гидромотора размещена на выходном валу первой секции гидромотора и выполнена с рабочим объемом, отличным от рабочего объема первой секции гидромотора,
- вторая секция гидрораспределителя через второй канал высокого давления, второй дренажный канал и вторую пару рабочих каналов соединена соответственно с первым каналом высокого давления, первым дренажным каналом и магистралями второй секции гидромотора,
- первая и вторая секции гидрораспределителя выполнены с возможностью дополнительного позиционирования золотников в промежуточном положении «холостой ход» и через включенные последовательно пропускные каналы соединены с напорной и сливной магистралями,
- редуктор кинематически связан с выходным валом первой секции гидромотора.
Наличие указанных признаков в заявляемом устройстве обеспечивает его соответствие условию патентоспособности «новизна». При этом при экспертизе не обнаружены устройства, в которых технический результат достигается приведенной совокупностью существенных признаков.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображены:
- на фиг.1 - функциональная схема гидроключа (схема передачи усилий),
- на фиг.2 - гидравлическая схема гидроключа.
Гидравлический ключ для свинчивания и развинчивания труб содержит гидромотор 1 с первой 2 и второй 3 секциями, гидрораспределитель 4 с первой 5 и второй 6 секциями, редуктор 7, ротор 8, трубозажимный механизм 9, компенсатор 10, стопор 11, предохранительный 12 и обратный 13 клапаны.
Первая 2 и вторая 3 секции гидромотора 1 выполнены с различными рабочими объемами:
2
3
2
3
V≠V (индексы при V соответствуют позициям на фиг.1 и 2), например, V∠V, и размещены конструктивно на общем выходном валу 14, с которым кинематически связаны соединенные последовательно редуктор 7 и ротор 8 с трубозажимным механизмом 9. С компенсатором 10 кинематически связан стопор 11.
Первая 5 и вторая 6 секции гидрораспределителя 4 выполнены с возможностью позиционирования своих золотников 15 и 16 с рычагами соответственно 17 и 18 управления в крайних положениях «прямой ход» и «обратный ход» и среднем промежуточном положении «холостой ход» («нейтральное положение»).
Первая секция 5 гидрораспределителя 4 через первый канал 19 высокого давления, первый дренажный канал 20 и первую пару рабочих каналов 21 соединена соответственно с напорной 22 и сливной 23 магистралями и магистралями 24 первой секции 2 гидромотора 1.
Вторая секция 6 гидрораспределителя 4 через второй канал 25 высокого давления, второй дренажный канал 26 и вторую пару рабочих каналов 27 соединена соответственно с первым каналом 19 высокого давления, первым дренажным каналом 20 и магистралями 28 второй секции 3 гидромотора 1.
Первая 5 и вторая 6 секции гидрораспределителя 4 через включенные последовательно пропускные каналы 29, 30 соединены с напорной 22 и сливной 23 магистралями,
Напорная магистраль 22 подключена к внешнему нагнетателю 31 рабочей жидкости. Сливная магистраль 23 через обратный клапан 13 подключена к приемнику 32 рабочей жидкости.
Двухсекционный гидромотор 1 предназначен для преобразования энергии потока рабочей жидкости в напорной магистрали 22 в регулируемое по величине и направлению вращательное движение своего выходного вала 14.
Двухсекционный гидрораспределитель 4 предназначен для регулирования направления (траектории) потока рабочей жидкости в гидросистеме ключа. Гидрораспределитель 4 управляется вручную с помощью рычагов 17 и 18 управления, Конструктивно секции 5 и 6 гидрораспределителя 4 могут быть выполнены (размещены) в одном (общем) корпусе.
Редуктор 7 предназначен для редуцирования (понижения) частоты вращения выходного вала 14 гидромотора 1 и увеличения выходного момента ротора 8, необходимого для вращения трубы 33 (фиг.1).
Ротор 8 предназначен для передачи усилия кручения через трубозажимный механизм 9 на трубу 33. Направление и частота вращения ротора 8 определяется положением рычагов 17 и 18 управления гидрораспределителя 4.
Трубозажимный механизм 9 предназначен для захвата и вращения трубы 33.
Компенсатор 10 обесапечивает вертикальную компенсацию смещения гидроключа при свинчивании или развинчивании труб 33 и 34.
Стопор 11 предназначен для захвата и фиксации трубы 34 при свинчивании и развинчивании трубы 33.
Предохранительный клапан 12 предназначен для защиты напорной магистрали 22 от избыточного гидравлического давления. Для контроля давления в напорной магистрали 22 в состав гидроключа может входить манометр 35.
Обратный клапан 13 предназначен для защиты сливной магистрали 23 при случайном (ошибочном) подключении к ней внешнего нагнетателя 31.
Работа устройства происходит следующим образом,
Гидравлический ключ подвешивается на вышке или мачте на канате (на чертеже не показаны) и подводится к трубам 35 и 36. Внешний нагнетатель 31 нагнетает поток рабочей жидкости в напорную магистраль 22. Энергия потока рабочей жидкости, направленная через двухсекционный гидрораспределитель 4, преобразуется двухсекционным гидромотором 1 во вращательное движение его выходного вала 14. Вал 14 через редуктор 7 приводит в движение ротор 8, трубозажимный механизм 9 которого обеспечивает захват трубы 33. Другая труба 34 фиксируется
посредством стопора 11 гидроключа. Гидрораспределитель 4 управляется позиционированием соответствующих золотников 15 и 16 в различных положениях с помощью рычагов 17 и 18. Каждый из рычагов 17 и 18 управляет соответствующей секцией гидрораспределителя 4 и, следовательно, соответствующей секцией гидромотора 1.
Так как секции 2 и 3 гидромотора 1 имеют разные рабочие объемы, имеется возможность получения трех фиксированных скоростей (моментов) вращения ротора 8 с трубозажимным механизмом 9 в одну сторону и трех фиксированных скоростей (моментов) вращения ротора 8 с трубозажимным механизмом 9 в противоположную сторону.
Максимальный крутящий момент в ту или обратную стороны на трубозажимном механизме 9 обеспечивается при включении обеих секций 2 и 3 гидромотора 1 (оба рычага 18 и 19 управления отклонены в одну и ту же сторону).
С учетом вышеизложенного работа гидроключа может осуществляться при низшей, высшей и средней передачах (скоростях).
Низшая передача
2
3
обеспечивается при позиционировании рычагов 17,18 управления в крайних левых («прямой ход») или крайних правых («обратный ход») положениях. При этом общий рабочий объем гидромотора 1 соответствует (V+V).
Данная передача применяется для достижения максимального крутящего момента, а также минимальной частоты (скорости) вращения на роторе 8 гидроключа.
Для обеспечения надежной затяжки резьбового соединения при свинчивании или при страгивании (страгивать - стронуть) резьбы максимальным моментом при развинчивании труб отклонением обоих рычагов 17 и 18 в какую-либо сторону переводят гидроключ на низшую передачу.
Высшая передача
2
обеспечивается при отклонении рычага 17 управления меньшей секцией 2 гидромотора 1 с объемом V влево («прямой ход») или вправо («обратный ход») от нейтрального положения (от положения «холостой ход»).
Применяется для получения максимальной частоты (скорости) вращения при минимальном крутящем моменте на роторе 8 гидроключа, т.е. для обеспечения максимальной скорости свинчивания или развинчивания труб с минимальным моментом.
Средняя передача
3
обеспечивается при отклонении рычага 18 управления большей секцией 3 гидромотора 1 с объемом V влево («прямой ход») или вправо («обратный ход») от нейтрального положения (от положения «холостой ход»),
Применяется для получения средней частоты (скорости) вращения при среднем крутящем моменте на роторе 8 гидроключа.
Следует отметить, что при смещении только одной из секций гидрораспределителя 4 в крайнее положение соответствующие рабочие каналы другой его секции оказываются замкнутыми друг на друга и соединенными одновременно с дренажным каналом этой же секции, В результате оказываются затороченными магистрали соответствующей секции гидромотора 1, что снижает сопротивление «ненагруженной» секции гидромотора 1 его «нагруженной» секции.
Особенностью данной конструкции гидроключа является также то, что переключение его с одной скорости на другую происходит обязательно через промежуточное положение секций гидрораспределителя 4 «холостой ход». Следовательно, в отличие от прототипа, переключение скоростей не требует предварительного отключения (остановки) нагнетателя 31.
В случае нахождения обеих секций 5 и 6 гидрораспределителя 4 в положении «холостой ход» напорная магистраль 22 через пропускные каналы 29, 30 оказывается закороченной на сливную магистраль 24, благодаря чему исключается необходимость отключения (остановки) внешнего нагнетателя 31 при нахождении обоих золотников 15 и 16 секций 5 и 6 гидрораспределителя 4 в положении «холостой ход».
На практике использование описанного гидроключа при свинчивании (наворачивании) трубы 33 на трубу 34 происходит следующим образом.
Бурильщик на минимальных оборотах ротора 8 аккуратно захватывает трубозажимным механизмом 9 свинчиваемую трубу 33, плавно и точно совмещает ее с резьбой трубы 34, предварительно зафиксированной стопором 11 гидроключа, наворачивает 1-2 витка резьбы и без ударов и рывков переводит ключ на повышенные скорости вращения до полного свинчивания резьб труб 33 и 34.
Операция развинчивания (отворачивания) трубы 33 также происходит более производительно, чем с ключом прототипа. Вначале, при максимальном рабочем объеме гидромотора 1 (что соответствует максимальному крутящему моменту) происходит страгивание «прикипевшей» резьбы труб, затем быстрый перевод ключа на максимальные обороты до полного развинчивания трубы 33 (без остановки вращения ротора 8 гидроключа).
Таким образом, в заявляемом устройстве, в отличие от прототипа, применен гидравлический принцип регулирования скорости на выходе гидроключа путем управления траекторией движения рабочей жидкости и направления ее в соответствующие секции гидромотора,
Благодаря широкому диапазону скоростей не происходит срыва витков резьбы, деформации поверхности трубы, что, в конечном счете, ведет к увеличению производительности труда и снижению потерь из-за возможности бережного отношения к трубам.
Заявителем разработаны и начинают выпускаться гидравлические ключи модели ГКШ-1200М5, техническая сущность которых описана в настоящей заявке, Указанные ключи позволяют быстро, точно и безопасно свинчивать и развинчивать НКТ с наружными диаметрами 60 мм, 73 мм, 89 мм, 102 мм, 114 мм. Так как секции гидромотора имеют различный рабочий объем, возможно получение трех фиксированных скоростей вращения ротора в обоих направлениях: 30 об/мин, 50 об/мин и 73 об/мин.
Указанное обеспечивает соответствие заявляемого устройства условию патентоспособности «промышленная применимость»,
ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ.
1. Авторское свидетельство СССР №135439. Устройство для свинчивания и развинчивания труб. МПК Е 21 В 19/16, публ. 1960.
2. Авторское свидетельство СССР №832041, Устройство для свинчивания и развинчивания труб. МПК Е 21 В 19/16. БИ, 1981, №19,
3. Модель 45000. Руководство по эксплуатации и ремонту гидравлических ключей для НКТ. Ойл Кантри, Мэньюфэкчуринг, Инк. 300 В.Стэнли Авеню. Вентура, Калифорния, 93001, США., 1999 г. (прототип).