УСТРОЙСТВО И СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ДО МИНИМУМА ПРОСКАЛЬЗЫВАНИЯ МУФТЫ БАРАБАНА
DEVICE AND METHOD TO MINIMISE DRUM CLUTCH SLIPPING

Область техники, к которой относится изобретение
После бурения нефтяной скважины при помощи буровой установки и монтажа обсадной колонны установку разбирают и увозят с буровой площадки. Начиная с этого момента обычно используют передвижную установку для ремонта скважин. Ремонт (техническое обслуживание) обычно включает в себя введение и удаление внутренних колонн труб, насосных штанг и насосов. Для проведения различных работ требуется применение множества самых различных инструментов.
Одним из элементов оборудования, который имеется практически на каждой установке для ремонта скважин, является система лебедки, предназначенная для контроля движения кабеля, прикрепленного к талевому блоку. Лебедка наматывает и разматывает кабель, прикрепленный к талевому блоку, который, в конечном счете, используют для осуществления основной функции установки для ремонта скважин: для подъема и опускания тяжелых объектов, таких как штанги и трубы, соответственно, в нефтяные и газовые скважины и из них. Лебедку обычно приводят в действие при помощи двигателя переменной скорости, который отчасти подключен к лебедке. Первичный двигатель приводит в действие лебедку обычно с использованием цепи для привода силовой трансмиссии, и воздуха, приводящего в действие фрикционную муфту, причем муфта барабана является критическим компонентом всей системы лебедки. Муфта представляет собой компонент системы барабана в целом, который наиболее часто является объектом неправильной эксплуатации. В большинстве случаев ущерб возникает от нежелательного проскальзывания, которое ведет к чрезмерному износу узла муфты, снижает вес груза, который может поднимать установка для ремонта скважин, и, в конечном счете, приводит к полному разрушению установки.
Эффект сцепления муфты является функцией как фрикционного компонента муфты (коэффициента трения и площади поперечного сечения), так и полного усилия, приложенного между пластинами барабана и силовой трансмиссии. Само собой разумеется, что чем выше нагрузка на крюке установки для ремонта скважин, тем больше требуется усилие сцепления между силовой трансмиссией и барабаном, что требует использования более мощной муфты. Так как муфты установки для ремонта скважин обычно приводятся в действие при помощи воздуха, давление воздуха, воздействующее на узел муфты, является критическим при обеспечении ее надлежащей работы.
Срок службы муфты барабана на установке для ремонта скважин варьирует в соответствии с коэффициентом использования и профессиональными навыками оператора. На некоторых установках муфты работают по 5 лет и больше, в то время как на других установках приходится их заменять с интервалами менее 1 года. Это ведет к необходимости проведения дорогостоящего ремонта и к еще более дорогостоящему простою установки. Следовательно, в этой области необходима система, которая помогает оператору установки так эксплуатировать муфту барабана, чтобы снизить износ муфты, вызванный неправильным обращением с ней оператора.
При вытягивании груза из ствола скважины талевый блок сначала прикрепляют к сегменту колонны труб в скважине. Затем оператор вытягивает плеть из скважины за счет включения сцепления муфты лебедки и создания при помощи дроссельной заслонки полных оборотов двигателя. Когда вытянутая плеть будет находиться полностью над уровнем земли, то есть вне скважины, оператор снижает обороты двигателя при помощи дроссельной заслонки, устанавливает клинья, которые удерживают подвершенной колонну труб, оставшуюся в скважине, выключает сцепление муфты и переводит двигатель в режим холостого хода. После этого соответствующий рабочий при помощи трубного ключа начинает развинчивать находящуюся выше уровня земли плеть от подвешенной в скважине колонны труб. При этом оператор включает двигатель, чтобы подавать гидравлическую мощность на трубный ключ.
После отвинчивания плети рабочий ослабляет (реверсирует) ключ и снимает его с отвинченной плети. Затем оператор установки переводит двигатель в режим холостого хода, включает сцепление муфты и осторожно отводит отвинченную плеть от подвешенной колонны труб. После этого оператор установки расцепляет муфту, так чтобы дойти до пола, захватывает отвинченную плеть и направляет отсоединенную трубу в заданное место на балконе для работы с лифтовыми трубами. Затем указанную плеть отсоединяют от талевого блока, после чего оператор установки опускает блок на пол для прикрепления к следующей плети трубы, которая еще находится в скважине, после чего описанный процесс повторяют до тех пор, пока вся колонна труб не будет вытянута из скважины.
Во время этого процесса дважды производят сцепление и расцепление муфты, в то время как двигатель дважды переключают из режима холостого хода в режим полного газа. Возникает множество потенциальных проблем, если эта операция выполнена неточно или если сделаны сокращения некоторых этапов. Например, если двигатель не переводить в режим холостого хода между этапами, проводимыми с большими оборотами двигателя, то труба и/или трубный ключ могут совершать рывки (дергаться), что может вызывать серьезное повреждение оборудования и представляет большую опасность для находящихся поблизости рабочих. Другие ускоренные перемещения или рывки системы муфты на установке могут также создавать проблемы как для рабочих, так и для оборудования. Безопасность рабочих снижается, когда на установке не работают плавно и предсказуемым образом, так как резкие перемещения, без предупреждения рабочих, могут приводить к несчастным случаям. Кроме того, многие элементы высокого износа на установках для ремонта скважин, в том числе муфты, лебедки, цепи, звездочки, талевые канаты, индикаторы, подушки и опоры домкратов, страдают от излишнего износа, вызванного внезапным резким изменением работы установки.
Если рассматривать реальную работу установки, то очевидно, что рабочая бригада должна работать в унисон с оборудованием и в согласии друг с другом. Более того, очень полезно, если рабочий процесс является предсказуемым для всех вовлеченных в него людей, что позволяет сделать максимально безопасной работу установки (например, рабочие знают, куда нельзя совать руки, когда следует отойти, когда необходимо быть очень осторожным, и т.п.). Именно нарушение установившейся практики создает проблемы с оборудованием и опасные ситуации для рабочих. Так, как применяющиеся в настоящее время системы не являются полностью автоматическими и требуют участия оператора в обеспечении оптимальной работы установки, существует необходимость в создании системы, которая может оказывать помощь оператору и, в конечном счете, снижать стоимость ремонта оборудования и риск повреждения рабочих.
Раскрытие изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагаются устройство и способ для минимизации проскальзывания в муфте барабана буровой установки или установки для ремонта скважин. Датчик фиксирует движение силовой трансмиссии, когда производят первоначальное сцепление муфты. Если количество движения превышает допустимый уровень, раздается звуковой сигнал, который предупреждает оператора о необходимости быть осторожным с муфтой. Измерительный преобразователь сначала измеряет скорость вращения двигателя и/или движение силовой трансмиссии для того, чтобы определить количество движения и/или скорость двигателя и/или силовой трансмиссии. Датчик давления контролирует давление воздуха, подаваемого в диафрагму муфты, и дает информацию о том, что имеется сцепление муфты. Кодирующее устройство дает информацию о том, что барабан установки действительно движется. Когда имеется сцепление муфты, логическая схема измеряет движение силовой трансмиссии и обеспечивает, чтобы скорость была ниже порога появления рывков или проскальзывания. Если логическая схема определяет, что скорость или количество движения силовой трансмиссии являются безопасными и достаточно низкими, она позволяет продолжать работу. Однако если логическая схема определяет, что скорость или количество движения слишком велики и что возможно чрезмерное проскальзывание или рывки, то раздается звуковой сигнал тревоги или загорается лампа тревожной сигнализации, что сообщает оператору о том, что он неправильно работает на установке. Альтернативно, вместо предупреждения оператора или в дополнение к этому логическая схема может полностью запрещать работу оператора с лебедкой. В соответствии с альтернативным вариантом, когда логическая схема определяет, что оператор пытается неправильно работать на установке, то логическая схема записывает импульсный сигнал в память для хранения данных, чтобы запомнить информацию о неправильной работе установки.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показаны базовые компоненты установки для ремонта скважин.
На фиг.2 показаны основные детали муфты барабана.
На фиг.3 показано, как работает муфта барабана.
На фиг.4 дано общее представление об использовании настоящего изобретения.
На фиг.5 показан один из вариантов настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показана втяжная, автономная установка 20 для ремонта скважин, которая содержит шасси 22, установленное на колесах 24, двигатель 26, гидравлический насос 28, воздушный компрессор 30, первую трансмиссию 32, вторую трансмиссию 34, лебедку 36 с переменной скоростью, блок 38, удлиняемый деррик-кран 40, первый гидроцилиндр 42, второй гидроцилиндр 44, монитор 48 и втяжные стойки 50. Двигатель 26 избирательно подключается к колесам 24 и к лебедке 36 при помощи соответствующих трансмиссий 34 и 32. Двигатель 26 также приводят в действие гидравлический насос 28 по линии 29 и воздушный компрессор 30 по линии 31. Воздушный компрессор 30 питает пневматический клиновой захват (не показан), а гидравлический насос 28 питает комплект гидравлических ключей для труб (не показан). Гидравлический насос 28 также подает питание на гидроцилиндры 42 и 44, которые соответственно удлиняют и поворачивают деррик-кран 40 для того, чтобы избирательно устанавливать деррик-кран 40 в рабочее положение (фиг.1) и во втянутое положение (не показано). В рабочем положении деррик-кран 40 направлен вверх, однако его продольная осевая линия 54 имеет угол смещения 56 от вертикали. Этот угол смещения 56 обеспечивает доступ блока 38 к стволу скважины 58 без помех, создаваемых каркасом деррик-крана, а также позволяет производить быструю установку и удаление сегментов внутренней трубы, таких как сегменты внутренней колонны труб 62 и/или насосных штанг.
Двигатель 26 обычно имеет номинальную мощность 300 л.с. или около того, и подключен к автоматической трансмиссии 32, которая обычно содержит 5 или 6 шестерен. Автоматическая трансмиссия 32 соединена с приводом расположения под прямым углом, который перемещает набор цепей и звездочек, который, в свою очередь, приводит в движение трубную муфту барабана при помощи ряда звездочек. Когда оператор желает захватить груз и вытянуть его из скважины, он включает муфту между барабаном и выходной пластиной силовой трансмиссии, за счет приложения давления воздуха. Сила трения затем передает энергию вращения от силовой трансмиссии к трубному барабану. Когда барабан вращается, он наматывает или разматывает бурильный канат, который, в свою очередь, побуждает талевые блоки подниматься или опускаться, соответственно поднимая груз из скважины или опуская его в скважину.
Задачей является передача мощности от двигателя непосредственно к трубному барабану без износа подвижных деталей, а также с минимальной потерей энергии или скорости. Двигатель работает все время при работе установки, и поэтому энергия вращения передается от него на силовую трансмиссию через гидротрансформатор, трансмиссию и привод под прямым углом. Построение силовой передачи позволяет гидротрансформатору выбирать (исключать) все проскальзывания и удерживать проскальзывание на муфте барабана минимальным.
На фиг.2 показаны базовые компоненты муфты. Воздушное давление прикладывается к резиновой диафрагме 8, которая заставляет нажимные пластины 7 и 6 прижимать фрикционные диски 4 муфты к пластине 2, в результате вращательное движение от силовой трансмиссии передается приводному кольцу 1, которое приводит в движение лебедку. Фрикционная сила соединения (сцепления) может быть выражена следующим уравнением:
где F представляет собой полную силу трения между двумя объектами, f представляет собой коэффициент трения, а N - нормальное давление между двумя объектами. В этом случае двумя объектами являются нажимные пластины 7 и 6 и пластина 2, причем фрикционные диски 4 создают необходимое трение. В случае муфты, показанной на фиг.2, нормальное усилие может быть выражено уравнением
где А представляет собой площадь поперечного сечения диафрагмы 8, а Р представляет собой давление воздуха, приложенное к диафрагме. Следовательно, окончательная сила фрикционного соединения непосредственно зависит от давления воздуха, приложенного к диафрагме 8, поэтому ясно, что любое снижение приложенного к муфте давления воздуха вызывает снижение силы соединения между силовой трансмиссией и трубным барабаном.
Когда поднимают тяжелые грузы, может случиться проскальзывание, поэтому оператор установки должен внимательно следить за тем, чтобы максимальное давление воздуха было приложено к диафрагме 8, или в альтернативном варианте, за тем, чтобы имелось по меньшей мере минимальное давление, необходимое для подъема груза без проскальзывания муфты. Существует множество причин, которые могут снижать давление воздуха на диафрагме 8 ниже оптимального значения. Такими причинами могут быть низкое выходное давление воздушного компрессора, утечка в магистралях подачи воздуха, засор в магистралях подачи воздуха и/или утечка в диафрагме 8. Идеальное сцепление муфты происходит только тогда, когда максимальное количество воздуха подводится к диафрагме, однако поддержание только максимального давления воздуха является практически невыполнимым в реальных ситуациях, так как это не позволяет использовать муфту при некоторых применениях, которые, в конечном счете, могут приводить к опасным последствиям.
Преимущественно следует производить передачу мощности непосредственно от двигателя к трубному барабану, без износа подвижных деталей, однако с максимальной энергией и скоростью барабана. Двигатель работает все время при работе установки, и поэтому энергия вращения постоянно передается от него на барабан через гидротрансформатор, трансмиссию, привод под прямым углом и силовую трансмиссию. Построение силовой передачи позволяет гидротрансформатору выбирать все проскальзывание и стремиться исключить проскальзывание на муфте барабана.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.3, на которой показано, что когда трубный барабан остановлен (то есть блоки не движутся), и силовая трансмиссия Z вращается (то есть двигатель работает и трансмиссией является зубчатая передача), тогда сцепление муфты, обеспеченное за счет наполнения воздухом диафрагмы С, будет вызывать проскальзывание между пластиной X муфты барабана, фланцами муфты Y и пластиной Z звездочки силовой трансмиссии. Когда происходит сцепление муфты, тогда обычно происходит одна из двух вещей. Прежде всего, если двигатель имеет малые обороты, то цепь привода силовой трансмиссии резко останавливается и гидротрансформатор в трансмиссии выключается (глохнет), минимизируя проскальзывание муфты. Когда оператор включает двигатель, гидротрансформатор запускается с высоким проскальзыванием, постепенно и равномерно раскручивая барабан. С другой стороны, если двигатель имеет высокие обороты, то кинетическая энергия двигателя, трансмиссии и силовой трансмиссии передается на трубный барабан, что приводит к резким скачкам блоков. Это является причиной серьезного нарушения правил эксплуатации и близко напоминает открытие клапана муфты в автомобиле и во вращающихся шинах.
Так как трубный барабан остановлен и силовая трансмиссия вращается в каждом соединении, то надлежащее сцепление муфты является критическим как для срока службы оборудования, так и для безопасности рабочей бригады. В идеальном случае сцепление муфты будет происходить тогда, когда как силовая трансмиссия, так и лебедка находятся в состоянии полного останова. Это позволяет исключить любое проскальзывание, однако такое решение не является практичным, так как оно требует выключения двигателя при проведении каждого соединения или введения тормоза в приводную передачу или силовую трансмиссию для снижения оборотов до заданного минимума.
За счет своего построения гидротрансформатор трансмиссии должен поглощать проскальзывание в кинематической цепи от двигателя до трубного барабана. Для обеспечения безопасной работы и с использованием установки в том виде, в котором она спроектирована, очень важно, чтобы именно гидротрансформатор, а не муфта барабана, был использован для поглощения любого проскальзывания.
В соответствии с настоящим изобретением предлагаются устройство и способ для минимизации проскальзывания в муфте барабана установки для ремонта скважин. Датчик измеряет движение силовой трансмиссии, когда муфта первоначально сцеплена. Если количество движения превышает приемлемый уровень, то раздается звуковой сигнал, предупреждающий оператора о том, что необходимо быть осторожным с муфтой. Обратимся теперь к рассмотрению фиг.5, на которой показано устройство для измерения оборотов (10), которое связано с одной из подвижных частей кинематической цепи. Это может быть устройство для реального измерения оборотов двигателя, или счетчик числа зубцов на зубчатом колесе, такой как счетчик Холла, или магнитный счетчик, установленный в непосредственной близости от звездочки 6 цепи. Реле давления 1, которое установлено в магистрали подачи воздуха на муфту, показывает, когда воздух поступает в диафрагму. Это приводит к включению муфты. Вместо реле давления 1 может быть использован датчик давления, который измеряет действительное давление, подводимое к муфте барабана.
Генератор сигналов 8, которым возможно является датчик положения, который вырабатывает импульсы при движении трубного барабана, показывает, когда барабан действительно вращается. Таким генератором сигналов 8 может быть магнитный чувствительный элемент или датчик другого типа с электрическим выходом, который установлен в непосредственной близости от вращающейся детали лебедки или узла коронной шестерни, который вырабатывает электрические импульсы, когда деталь вращается. Альтернативно, фотоэлемент может быть использован для выработки необходимых электрических импульсов. Эти электрические импульсы направляют на электронное оборудование, которое подсчитывает электрические импульсы и объединяет их со значением множителя, в результате чего производится определение положения талевого блока. В соответствии с настоящим изобретением могут быть использованы и другие способы определения состояния движения барабана, например, с использованием импульсного датчика положения, оптического датчика положения, линейного кодирующего устройства 4-20, или любых других подходящих известных устройств. Средство точного измерения движения барабана не является существенным в соответствии с настоящим изобретением, однако важно знать, что барабан вращается.
Реле 1 (контакты которого могут быть нормально разомкнуты или замкнуты) посылает сигнал на логическую схему, когда воздух поступает к муфте, и, следовательно, сигнализирует о сцеплении муфты. Логическая схема измеряет перемещение силовой трансмиссии (обороты двигателя или число зубцов) и устанавливает скорость ниже порога рывков или проскальзывания. Если логическая схема определяет, что скорость или количество движения силовой трансмиссии являются безопасными и достаточно низкими, она позволяет продолжать работу. Однако если логическая схема определяет, что скорость или количество движения слишком велики и что вероятны рывки или проскальзывание, она вырабатывает звуковой или световой сигнал тревоги, предупреждающий оператора о том, что он неправильно работает на установке. Альтернативно, вместо предупреждения оператора или в дополнение к этому логическая схема может запрещать оператору работать с лебедкой. В таком варианте логическая схема посылает сигнал "Останов двигателя" на соленоид холостого хода двигателя, который удерживает двигатель в состоянии холостого хода. Другими словами, если соленоид холостого хода двигателя включен, он не позволяет оператору работать на высоких оборотах двигателя, что заставляет преобразователь оставаться отключенным. Этот вариант обеспечивает дополнительную защиту от вышеупомянутых нежелательного проскальзывания муфты и рывков.
В соответствии с альтернативным вариантом, когда логическая схема определяет, что оператор пытается неправильно эксплуатировать установку, тогда логическая схема записывает импульсный сигнал в устройство хранения данных, которым может быть, например, компьютер, регистратор данных, устройство хранения данных типа CREW или другое устройство хранения данных. Этот импульсный сигнал несет информацию о том, сколько раз происходило сцепление муфты и производилась работа при значении количества движения или скорости выше максимально допустимых. При проверке числа случаев включения муфты в неоптимальных условиях, контролер установки или ответственный за технику безопасности получает объективную информацию о работе оператора и может высказать ему замечания и провести обучение оператора надлежащим приемам работы с муфтой.
Предложенный способ обеспечивает множество преимуществ при работе на установке для ремонта скважин. Прежде всего, трубы и штанги, если их внезапно отпускать и дергать, имеют тенденцию к раскачиванию или к резким колебаниям случайным образом. Известно, что отцепленная плеть может раскачиваться и ударить рабочего на полу установки, что может приводить к увечьям и даже к смерти. Рывки колонны труб, которые означают высокое натяжение в талевом канате, с последующим немедленным резким снижением этого натяжения снижают срок службы скрученного каната, так как канаты подвергаются воздействию изгибающих и скручивающих усилий, которые превышают их проектные возможности. Рывки могут также возбуждать вредные гармоники в трубопроводе, которые передаются через вершину установки и назад на индикатор веса трубопровода. Эти гармоники могут ослаблять "С" зажим в типичном индикаторе веса трубопровода, что приводит к размыканию в передающем блоке. Известно, что падение трубы много раз приводило к авариям на известных установках, в том числе с фатальными увечьями операторов установок. Наконец, рывки могут вызывать непоправимые повреждения резьбы на штангах и трубах и могут даже приводить к обрыву штанг или труб и к их падению в скважину, что вызывает серьезное повреждение оборудования скважины.
Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения. Например, несмотря на то, что описанные варианты относятся к передвижной установке для ремонта скважин, настоящее изобретение может также найти применение при работе стационарной нефтяной буровой установки, причем специалисты легко поймут, как можно адаптировать описанные варианты к нефтяной буровой установке.