КЛЮЧ БУРОВОЙ СТАЦИОНАРНЫЙ
STATIONARY SPINNING WRENCH

Изобретение относится к устройствам для свинчивания и развинчивания резьбовых стыков бурильных труб нефтяного сортамента при спускоподъемных операциях, связанных с бурением скважин.
Известен автоматический стационарный буровой ключ для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурильных и обсадных труб, содержащий разъемный корпус, смонтированные в нем верхнее и нижнее трубозажимные устройства и редуктор, коробку передач, приводной двигатель, моментомер, тормозное устройство, опорную колонну, пульт дистанционного управления (патент RU 2188297 С2, кл. Е21В 19/16, приоритет от 11.05.2000). Указанный ключ имеет следующие недостатки:
- двухступенчатая коробка передач имеет одну силовую передачу для выполнения операций затяжки и раскрепления стыков. Учитывая, что потребное усилие для раскрепления стыка значительно (до 50%) превышает усилие его затяжки, наличие одной силовой передачи приводит к снижению производительности ключа и увеличению энергозатрат;
- моментомер не обеспечивает визуального (инструментального) контроля величины крутящего момента при затяжке стыка, включая и фактической величины Мкр, при которой произошло срабатывание системы ограничения предельно допустимого усилия затяжки. Пневморычажная конструкция системы ограничения допустимого усилия не обладает достаточной точностью и надежностью.
Известен также выбранный в качестве прототипа автоматический стационарный буровой ключ для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурильных и обсадных труб, содержащий корпус, смонтированные на нем верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, приводной двигатель и моментомер (патент RU 2143051 С1, кл. Е21В 19/16, приоритет от 20.12.1999). Данный ключ имеет следующие недостатки:
- коробка передач имеет одну силовую передачу для операций затяжки и раскрепления, что ведет к нерациональным затратам энергии, а использование маховика вызывает существенные динамические нагрузки на конструкцию ключа и уменьшает срок его службы:
- конструкция моментомера требует отдельной настройки для проведения операций затяжки и раскрепления, что ухудшает условия эксплуатации.
Задачей предложенного технического решения является повышение производительности труда, снижение энергозатрат, повышение надежности и качества выполняемых операций, улучшение условий эксплуатации.
Поставленная задача решается тем, что ключ буровой стационарный содержит корпус, размещенные в нем верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, гидромотор, моментомер, тормозное устройство, опорную колонну, пульт дистанционного управления, при этом:
- ключ снабжен коробкой передач, которая выполнена четырехступенчатой, осуществляющей передачу крутящего момента от гидромотора на редуктор в четырех режимах, из которых два режима силовых, используемых для затяжки и раскрепления стыков, и два режима скоростных, используемых при свинчивании и развинчивании. Корпус коробки передач устанавливается шарнирно с возможностью поворота вокруг оси выходного вала.
- моментомер включает в себя гидроцилиндр, установленный между корпусами коробки передач и ключа, в котором реактивная сила от коробки передач преобразуется в гидравлическое давление, манометр, автоматический разгрузочный клапан, управляющее давление на который подается из полости гидроцилиндра.
Предлагаемое техническое решение поясняется примером его выполнения на прилагаемых чертежах:
Фиг.1 - Общий вид ключа. Вид сбоку.
Фиг.2 - Общий вид ключа. Вид сверху.
Фиг.3 - Разрез А-А на Фиг.2 (трубозажимные устройства, редуктор, тормозное устройство).
Фиг.4 - Разрез Б-Б на Фиг.2 (коробка передач).
Фиг.5 - Разрез В-В на Фиг.2 (вал коробки передач).
Фиг.6 - Разрез Г-Г на Фиг.2 (гидроцилиндр управления муфтой сцепления коробки передач).
Фиг.7 - Разрез Д-Д на Фиг.2 (гидроцилиндр управления муфтой сцепления коробки передач).
Фиг.8 - Принципиальная схема моментомера.
Фиг.9 - Опорная колонна.
Ключ буровой стационарный содержит корпус ключа 1 (фиг.1), опорную колонну 2; коробку передач 3, гидромотор 4, тормозное устройство 5, моментомер 6, пульт дистанционного управления 7, соединительные трубопроводы - не показаны.
В корпусе ключа смонтированы нижнее трубозажимное устройство 8 (фиг.3) с челюстедержателем 9, связанным через поводок 10 и гидроцилиндр 11 (фиг.2) с корпусом ключа, редуктор 12 (фиг.3) с разрезной шестерней 13, верхнее трубозажимное устройство 14 (фиг.3) с челюстедержателем 15. Конструкция нижнего и верхнего трубозажимных устройств известна. Верхнее трубозажимное устройство приводится во вращение через пальцы 16, закрепленные на разрезной шестерне. Каждое трубозажимное устройство снабжено парой челюстей 17 (фиг.2) с сухарями 18, устанавливаемых в челюстедержателях.
Тормозное устройство содержит стойку 19 (фиг.3), верхний диск 20, нижний диск 21, находящийся за счет пружины 22 в отклоненном положении, средний диск 23, соединенный с челюстедержателем, гидроцилиндр 24, установленный между нижним диском и корпусом ключа.
Коробка передач включает в себя корпус 25, валы 26, 27, 28, 29 (фиг.4 и 5), опирающиеся на подшипники, гидроцилиндры 30 и 31 (фиг.6 и 7) управления муфтами сцепления, платформу 32 (фиг.4), обеспечивающую шарнирное закрепление корпуса коробки передач на корпусе ключа. Вал 26 верхним концом соединен с валом гидромотора. На валу установлены муфта сцепления 33, имеющая с ним шлицевое соединение, и свободно вращающиеся шестерни 34 и 35. На валу 27 установлены неподвижно закрепленная шестерня 36, муфта сцепления 37, имеющая с валом шлицевое соединение, и свободно вращающиеся шестерни 38 и 39. На валу 28 установлены неподвижно закрепленные шестерни 40 и 41. На валу 29 установлены неподвижно закрепленные шестерни 42 и 43 (фиг.5).
Моментомер включает в себя гидроцилиндр 44 (фиг.8), установленный между корпусом коробки передач и корпусом ключа, манометр 45 и автоматический разгрузочный клапан 46, размещенные в пульте дистанционного управления.
Опорная колонна содержит вертикально расположенную опору 47 (фиг.9), каретку 48, ходовые винты 49, редуктор 50, гидромотор 51, полозья 52 и два гидроцилиндра 53, устанавливаемых между полозьями и кареткой. Корпус ключа устанавливается на полозья с жестким закреплением 54.
Ключ работает следующим образом.
Корпус ключа подается в зону резьбового стыка труб, для чего подачей давления в гидромотор 51 с помощью редуктора 50 и ходовых винтов 49 каретка 48 вместе с корпусом ключа перемещается вверх-вниз на требуемый уровень. Поворот каретки на нужный угол осуществляется вручную с механической фиксацией выбранного положения. Подачей давления в гидроцилиндры 53 осуществляется горизонтальное перемещение полозьев 52 с закрепленным на них корпусом ключа по направляющим каретки.
Перед выполнением операций свинчивания и затяжки производится настройка автоматического разгрузочного клапана 46 на требуемый момент затяжки стыка.
Для свинчивания стыка муфта сцепления 33, управляемая гидроцилиндром 30, опускается вниз до зацепления с шестерней 34, а муфта сцепления 37, управляемая гидроцилиндром 31, поднимается вверх до зацепления с шестерней 39. При таком расположении муфт сцепления передача вращения от гидромотора 4 на редуктор 12 происходит по линии - вал 26, муфта сцепления 31, шестерни 34 и 36, вал 27, муфта сцепления 37, шестерни 39 и 41, вал 28. Подача давления в гидромотор 4 сопровождается одновременной подачей давления в гидроцилиндр 24, обеспечивающего обжатие дисками 20 и 21 диска 23, его торможение и поворот челюстедержателя 15 относительно корпуса верхнего трубозажимного устройства и, как следствие, захват челюстями верхней трубы. После осуществления захвата верхней трубы подача давления в гидроцилиндр 24 прекращается, диски 20 и 21 раскрываются под действием пружины 22, диск 23 освобождается для свободного вращения верхнего трубозажимного устройства.
По окончании процесса свинчивания подача давления в гидромотор прекращается, муфта сцепления 37, управляемая гидроцилиндром 31, опускается вниз до зацепления с шестерней 38. При таком расположении муфт сцепления вращение с вала 27 на вал 28 передается через шестерни 38 и 40. При подаче давления на гидромотор происходит затяжка стыка с медленным вращением до нужного момента кручения.
Реактивная сила от шарнирно закрепленного корпуса коробки передач 25 при свинчивании и затяжке стыка уравновешивается силой гидравлического давления в гидроцилиндре 44 моментомера 6. Величина этого давления находится в прямой зависимости от величины действующего крутящего момента на стыке труб, таким образом, процесс свинчивания и затяжки сопровождается контролем (по манометру 45) фактического крутящего момента, включая фактическую величину крутящего момента, при котором произошло срабатывание автоматического разгрузочного клапана 46.
По окончании процесса затяжки подачей давления в гидроцилиндр 11 осуществляется поворот нижнего челюстедержателя 9 до освобождения нижней трубы от захвата ее челюстями нижнего зажимного устройства. Освобождение верхней трубы осуществляется вращением разрезной шестерни 13 вместе с верхним трубозажимным устройством в обратную свинчиванию сторону до раскрытия челюстей и фиксации нейтрального положения верхнего трубозажимного устройства с помощью блока совмещения (на чертежах не показан).
Процесс раскрепления и развинчивания начинается с подачи давления в гидроцилиндр 11, обеспечивающей поворот нижнего челюстедержателя 9 в направлении, необходимом для захвата нижней трубы в процессе развинчивания стыка. Подачей давления в гидроцилиндр 30 муфта сцепления 33 перемещается вверх до зацепления с шестерней 35, а подачей давления в гидроцилиндр 31 муфта сцепления 37 опускается вниз до зацепления с шестерней 38. При таком расположении муфт сцепления передача вращения от гидромотора на редуктор осуществляется по линии - вал 26, муфта сцепления 33, шестерни 35 и 43, вал 29, шестерни 42 и 36, вал 27, муфта сцепления 37, шестерни 38 и 40, вал 28. Направление вращения вала 28 в этом случае изменяется на противоположное и реверсирования гидромотора не требуется. Включение гидромотора для раскрепления сопровождается подачей давления в гидроцилиндр 24 тормозного устройства аналогично началу операции свинчивания. По мере захвата верхней трубы подача давления в гидроцилиндр 24 прекращается, происходит раскрепление стыка на малой скорости с большим крутящим моментом. После раскрепления гидромотор останавливается, муфта сцепления 37 с помощью гидроцилиндра 31 поднимается вверх до зацепления с шестерней 39, которая через шестерню 41 передает вращение на вал 28. Подачей давления в гидромотор осуществляется развинчивание стыка с большой скоростью вращения. Передача реактивной силы от корпуса коробки передач на корпус ключа в этом случае осуществляется через корпус гидроцилиндира 44 моментомера, который в данном случае работает как жесткий стержень. Имеется возможность измерять и контролировать величину крутящего момента при раскреплении и развинчивании, при этом следует гидроцилиндр 44 моментомера переставить по другую сторону коробки передач, для чего в конструкции предусмотрены дополнительные посадочные места.
Таким образом, предложенное техническое решение позволит:
- повысить производительность и снизить энергозатраты при работе ключа за счет увеличения количества ступеней коробки передач;
- повысить качество выполняемых операций и надежность работы ключа за счет визуального (инструментального) - контроля величины действующего крутящего момента и более точной настройкой системы ограничения предельно допустимого усилия затяжки;
- повысить надежность и улучшить условия эксплуатации за счет создания тормозящего усилия верхнего трубозажимного устройства с приводом от одного гидроцилиндра;
- улучшить условия эксплуатации за счет автоматизации процесса перемещения корпуса ключа в рабочую зону из зоны хранения и обратно.