КЛЮЧ БУРОВОЙ ДЛЯ РАБОТЫ С ТРУБНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Полезная модель относится к устройствам для механизации и автоматизации процессов свинчивания и развинчивания насосно-компрессорных, бурильных, утяжеленных бурильных, обсадных и других видов труб в процессе бурения нефтяных и газовых скважин.
Из предшествующего уровня техники известен буровой стационарный ключ для свинчивания и развинчивания резьбовых стыков бурильных труб нефтяного сортамента при операциях, связанных с бурением скважин, содержащий корпус, верхнее и нижнее трубозажимные устройства, коробку передач, приводной двигатель, тормозное устройство, моментомер, опорную колонну и пульт дистанционного управления, отличающийся тем, что имеет единый корпус для верхнего и нижнего трубозажимных устройств, четырехступенчатую коробку передач, уже известную конструкцию верхнего и нижнего трубозажимных устройств, моментомер, состоящий из гидроцилиндра и автоматического разгрузочного клапана (патент RU 2353749 C2).
Указанный ключ имеет следующие недостатки:
1. Коробка передач выполнена в виде цилиндрического редуктора, что значительно увеличивает ее габариты и массу. Вертикально расположенные валы затрудняют качественную смазку зубчатых колес. Переключение передач осуществляется гидроцилиндрами через рычажные механизмы, что вызывает изгибающие нагрузки на механизмы, вследствие чего возникает повышенный износ.
2. Гидроцилиндр, приводящий в работу нижнее трубозажимное устройство, создает реактивное усилие на корпус, которое изнашивает направляющие каретки и другие механизмы, которые его воспринимают.
3. Конструкция нижнего и верхнего трубозажимных устройств не обеспечивает надежного зажима трубы при свинчивании и развинчивании с высоким крутящим моментом и требует замены челюстей при смене типоразмера трубы, что приводит к дополнительным затратам времени.
Задачей предложенного технического решения является улучшение условий эксплуатации, повышения ремонтопригодности и надежности ключа бурового для работы с трубными элементами.
Поставленная задача решается тем, что ключ буровой для работы с трубными элементами содержит корпуса верхнего и нижнего трубозажимного устройства, механизм вертикального перемещения ключа бурового, каретку для горизонтального перемещения корпусов верхнего и нижнего трубозажимного устройства, нижнее трубозажимное устройство, верхнее трубозажимное устройство, планетарную коробку передач, при этом:
1. Механизм вертикального перемещения ключа бурового для работы с трубными элементами содержит неподвижную опорную колонну и подвижную колонну, между которыми расположена антифрикционная прокладка, прижатая к опорной колонне регулируемыми прижимами, которые крепятся на подвижной колонне. Подвижная колонна, вместе с антифрикционной прокладкой и прижимами, имеет возможность вертикального перемещения относительно опорной колонны при помощи гидроцилиндра или передачи винт-гайка с приводом от гидромотора.
2. Каретка для горизонтального перемещения корпусов верхнего и нижнего трубозажимного устройства, содержит симметрично расположенные реечные передачи и один гидроцилиндр перемещения, где реечные передачи служат для удвоения длины хода указанного гидроцилиндра.
3. Нижнее трубозажимное устройство содержит два универсальных зажима, которые имеют призматическую форму места захвата за трубу и приводятся в движение одним гидроцилиндром через рычаги соединенные между собой зубчатыми сегментами. Зажимы не требуют замены при смене типоразмера труб.
4. Верхнее трубозажимное устройство обеспечивает захват и вращение трубы эксцентриковыми зажимами, с круглым профилем или с профилем логарифмической спирали места захвата за трубу.
5. Коробка передач представляет собой планетарный редуктор, который содержит осевой кулачковый механизм переключения передач.
6. Крутящий момент, развиваемый верхним трубозажимным устройством, вычисляется микропроцессорным устройством из известных передаточных отношений планетарной коробки передач, зубчатой передачи верхнего трубозажимного устройства и значения крутящего момента на валу гидромотора привода планетарной коробки передач, который определяется при использовании значения разности динамического давления гидравлической жидкости.
7. Крутящий момент, развиваемый верхним трубозажимным устройством, также может определяться путем установки тензометрического датчика, который контролирует реактивный момент, возникающий между корпусом верхнего трубозажимного устройства и корпусом планетарной коробки передач при затяжке трубного соединения, при условии обеспечения возможности взаимного поворота указанных корпусов. Показания с тензометрического датчика при этом снимаются и обрабатываются микропроцессорным устройством управления ключом буровым для работы с трубными элементами.
Предлагаемое техническое решение поясняется на прилагаемых чертежах:
фиг. 1 - общий вид ключа бурового для работы с трубными элементами;
фиг. 2 - механизм вертикального перемещения;
фиг. 3 - каретка для горизонтального перемещения корпусов верхнего и нижнего трубозажимных устройств;
фиг. 4 - работа каретки;
фиг. 5 - нижнее трубозажимное устройство;
фиг. 6 - верхнее трубозажимное устройство;
фиг. 7 - корпус зажимов с установленными в нем эксцентриковыми зажимами;
фиг. 8 - планетарная коробка передач с осевым кулачковым механизмом переключения передач.
Ключ буровой для работы с трубными элементами (фиг. 1) состоит из опорной колонны 1, подвижной колоны 2, каретки 3, нижнего трубозажимного устройства 4, верхнего трубозажимного устройства 5, планетарной коробки передач 6.
Опорная колонна 1 жестко крепится к полу буровой площадки. Подвижная колонна 2 установлена на опорную колонну 1, между ними имеется антифрикционная прокладка 7, которая прижимается к опорной колоне 1 прижимами 8 (фиг. 2). Подвижная колонна 2 имеет возможность вертикального перемещения относительно опорной колонны 1, причем антифрикционная прокладка 7 и прижимы 8 перемещаются, вместе с ней.
Подвижная колонна 2 перемещается гидроцилиндром 9 (фиг. 2). На подвижную колонну 2 установлена каретка для горизонтального перемещения корпусов верхнего и нижнего трубозажимных устройств 3, которая имеет возможность поворота в горизонтальной плоскости, при помощи ручного или механизированного привода (фиг. 1).
Каретка для горизонтального перемещения корпусов верхнего и нижнего трубозажимных устройств состоит из корпуса 10, гидроцилиндра 11, опорных роликов 12, двух опорных профилей 13 с роликами 14 и шестернями 15, перемычки 16, антифрикционных опор 17 и 18, реек 19 (фиг. 3).
В корпусе каретки для горизонтального перемещения корпусов верхнего и нижнего трубозажимных устройств 10 установлены опорные ролики 12, по которым могут горизонтально перемещаться опорные профили 13, при этом сверху они ограничены от перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскости антифрикционными опорами 17. Опорные профили 13 содержат в своем составе ролики 14, шестерни 15 и антифрикционные опоры 18. Между собой два опорных профиля 13 соединены перемычкой 16, к которой крепится конец штока гидроцилиндра 11. Корпус гидроцилиндра 11 закреплен в корпусе каретки для горизонтального перемещения корпусов верхнего и нижнего трубозажимных устройств 10. По роликам 14 опорных профилей 13 может горизонтально перемещаться корпус нижнего трубозажимного устройства 21, при этом он ограничен от перемещения в вертикальной и горизонтальной плоскости антифрикционными опорами 18. На корпусе каретки для горизонтального перемещения корпусов верхнего и нижнего трубозажимных устройств 10 закреплены две рейки 19, в зацеплении с которыми находятся шестерни 15, в свою очередь шестерни 15 находятся в зацеплении с рейками 20 (фиг. 3), закрепленными на корпусе нижнего трубозажимного устройства 21.
Нижнее трубозажимное устройство состоит из корпуса 21, двух рычагов 22, осей 23, зубчатых сегментов 24, толкателей 25, осей 26, зажимов 27, гидроцилиндра 28, осей 29, упора 30 (фиг. 5).
Рычаги 22 имеют возможность поворота относительно корпуса 21 на осях 23, которые закреплены в корпусе. На рычагах 22 закреплены зубчатые сегменты 24, которые обеспечивают взаимосвязь рычагов 22 при их повороте. Рычаги 22 связаны с зажимами 27 через толкатели 25. Толкатели 25 имеют возможность скольжения по задней поверхности зажимов 27 и поворота относительно рычагов 22 на осях 26. Корпус 21 имеет зев 31, в который помещается труба при необходимости ее зажима. Зажимы 27 имеют возможность перемещения на встречу друг другу, при повороте рычагов, в зев 31 и обратно. Противоположные концы рычагов связаны гидроцилиндром 28 через оси 29. Зажимы 27 оснащены быстросъемными твердыми плашками 32 с насечкой, которыми происходит контакт за тело трубы при зажиме. В корпус 21 устанавливается упор 30, размер которого зависит от диаметра зажимаемой трубы. Упором 30 происходит совмещение оси зева 31 и оси зажимаемой трубы (фиг. 5).
На корпусе нижнего трубозажимного устройства 21 закреплено верхнее трубозажимное устройство 5.
Верхнее трубозажимное устройство состоит из корпуса 33, роторного колеса 34, роликовых опор 35, шестерен 36, паразитных шестерен 37, корпуса зажимов 38, подпружиненных опор 39, пальцев 40, тормоза 41 (фиг. 6).
В корпус 33 верхнего трубозажимного устройства 4 устанавливается роторное колесо 34, которое центрируют роликовые опоры 35. Роторное колесо находится в зацеплении с шестернями 36 и выходной шестерней планетарного редуктора 52. Выходная шестерня планетарной коробки передач 52 является ведущей, с нее крутящий момент передается на роторное колесо 34 и через паразитные шестерни 37 на шестерни 36, а далее на роторное колесо 34. В роторное колесо 34 установлен корпус зажимов 38, который может перемещаться относительно роторного колеса 34 в горизонтальной плоскости на ограниченное расстояние, а также перемещаться в вертикальной плоскости на подпружиненных опорах 39. Крутящий момент с роторного колеса 34 передается на корпус зажимов 38 через пальцы 40 (фиг. 6).
В корпус зажимов 38 устанавливается группа эксцентриковых зажимов 42 для свинчивания, также такая же группа эксцентриковых зажимов для развинчивания 43 (фиг. 7). Эксцентриковые зажимы 42 и 43 имеют возможность поворота вокруг осей 44. Эксцентриковые зажимы 42 и 43 имеют внутренний криволинейный профиль, в контакте с которым находятся толкатели 45. Толкатели 45 закреплены на поворотном диске (на чертеже не показан) который взаимосвязан с механизмом тормоза 41. Корпус зажимов имеет зев 46 в который помещается труба 47 при необходимости ее зажима и вращения. При заходе трубы 47 в зев 46, труба 47 центрируется с осью зева упором 48. Эксцентриковые зажимы 42 и 43 имеют опорную поверхность круглой формы, которые при зажиме трубы 47 опираются на такую же поверхность в корпусе зажимов 38. Контакт эксцентриковых зажимов 42 и 43 с трубой 47 осуществляется поверхностью с круглым профилем или профилем логарифмической спирали с центром отличным от центра поворота эксцентриковых зажимов 42 и 43, причем на профиле имеются зубцы для лучшего захвата за тело трубы 47. Передача крутящего момента от корпуса зажимов 38 к трубе 47, происходит через эксцентриковые зажимы 42 и 43, при этом действует условие самозажима, т.е. чем выше крутящий момент, тем выше сила прижима эксцентриковых зажимов 42 и 43 к трубе 47 (фиг. 7).
На корпус верхнего трубозажимного устройства 5 устанавливается планетарная коробка передач 6, при этом выходная шестерня 52 входит в зацепление с роторным колесом 34 и паразитными шестернями 37.
Планетарная коробка передач состоит из первой ступени 48, второй ступени 49, третьей ступени 50, нижнего полукорпуса 51, выходной шестерни 52, центрального вала 53, кулачковой полумуфты 54, кулачкового вала 55, большой полумуфты 56 (фиг. 8).
Центральный вал 53 жестко связан с водилом первой ступени 57, также центральный вал 53 связан с центральным колесом второй ступени 58, через подвижное шлицевое соединение. На центральном валу 53 на подвижном шлицевом соединении перемещается кулачковая полумуфта 54. Между центральной шестерней второй ступени 58 и кулачковой полумуфтой 54 имеется пружина 59, которая обеспечивает постоянное положение кулачковой полумуфты 54 в нижней части центрального вала 53. Водило второй ступени 60 связано с центральной шестерней третьей ступени 61. Водило третьей ступени 62, имеет в нижней части кулачки, которые постоянно находятся в зацеплении с кулачками большой полумуфты 56. Большая полумуфта 56 жестко связана с выходной шестерней 52. Таким образом, крутящий момент от вала гидромотора передается через три ступени 48, 49, 50 через большую полумуфту 56 на выходную шестерню 52.
Выходная шестерня 52 связана с кулачковым валом 55 через подвижное шлицевое соединение. Между водилом третьей ступени 62 и кулачковым валом 55 имеется упорный подшипник 63. При вертикальном перемещении вверх кулачкового вала 55 с ним перемещаются вверх упорный подшипник 63, водило второй 60 и третьей ступени 62 с центральными шестернями 58 и 61. При этом размыкается кулачковое соединение большой полумуфты 56 и водила третьей ступени 62, а кулачки кулачкового вала 55 и кулачковой полумуфты 54 входят в зацепление. При такой схеме кулачкового зацепления крутящий момент от первой ступени 48 передается по центральному валу 52 к кулачковой полумуфте 54, на кулачковый вал 55 и далее на выходную шестерню 52. Вторая 49 и третья 50 ступени при таком зацеплении в работе не участвуют.
Таким образом, планетарная коробка передач 6, в зависимости от положения кулачкового вала 55, имеет два передаточных отношения на выходной шестерне 52 (фиг. 8).
Ключ буровой для работы с трубными элементами работает следующим образом.
Для подачи корпусов верхнего 33 и нижнего 21 трубозажимных устройств на ось скважины, шток гидроцилиндра 11 втягивается и перемещает опорные профили 13 за перемычку 16. При этом шестерни 15 передают усилие гидроцилиндра 11 на рейки 20, в результате чего корпуса нижнего и верхнего трубозажимных устройств перемещаются по роликам 14 опорных профилей 13. Подача прекращается, когда упор 30 касается муфты трубы.
При необходимости, возможно вертикальное перемещение корпусов верхнего 33 и нижнего 21 трубозажимных устройств механизмом вертикального перемещения ключа бурового для работы с трубными элементами гидроцилиндром 9.
Также при необходимости возможен поворот каретки 3 для горизонтального перемещения корпусов верхнего и нижнего трубозажимных устройств 3 относительно подвижной колонны 2.
Для фиксации ключа бурового для работы с трубными элементами и центрирования корпусов нижнего 21 и верхнего 33 трубозажимных устройств с осью трубы происходит зажим трубы нижним трубозажимным устройством 4. Зажим трубы осуществляется в результате выдвижения штока гидроцилиндра 28, поворот рычагов 22 происходит на осях 23, которые через толкатели 25 выдвигают зажимы 27 в зев 31 к трубе. Центрирование происходит в результате того, что рычаги 22 связаны между собой зубчатыми сегментами 24, находящимися в зацеплении, и при повороте рычагов зажимы 27 выдвигаются с одинаковой скоростью.
При выполнении свинчивания труб гидроцилиндр переключения передач (на чертеже не показан) перемещает кулачковый вал 55 вверх, кулачки которого входят в зацепление с кулачками кулачковой полумуфты 54, включая вторую передачу.
Гидромотор (на чертеже не показан) вращает центральное колесо первой ступени 57, водило которой, вращает центральный вал, по которому крутящий момент передается на кулачковую полумуфту 54, кулачковый вал 55 и далее на выходную шестерню 52.
Роторное колесо 34 и корпус зажимов 38, где под воздействием тормоза 41 эксцентриковые зажимы 42 зажимают и вращают трубу в направлении свинчивания с большой скоростью. После начала вращения тормоз 41 прекращает работу. С увеличением сопротивления вращения трубы усилие зажима трубы эксцентриковыми зажимами возрастает. По достижении заданного крутящего момента на второй передаче вращение останавливается. Происходит автоматическое включение первой передачи для затяжки трубного соединения с высоким крутящим моментом. Для включения первой передачи шток гидроцилиндра переключения передач втягивается, при этом вторая 49 и третья 50 ступени перемещаются вниз под собственным весом, размыкая соединение кулачковой полумуфты 54 и кулачкового вала 55. При замыкании кулачкового соединения большой полумуфты 56 и водила третьей ступени 62 крутящий момент с вала гидромотора передается через три ступени 48, 49, 50 планетарной коробки передач 6 на роторное колесо 34 и корпус зажимов 38. Где под воздействием тормоза 41, эксцентриковые зажимы 42 зажимают и вращают трубу в направлении свинчивания с низкой скоростью и высоким крутящим моментом. Вращение прекращается автоматически при достижении заданного момента свинчивания. После операции свинчивания происходит совмещение зева корпуса зажимов 38 с корпусом верхнего трубозажимного устройства 33, эксцентриковые зажимы 42 поворачиваются в исходное положение. Происходит разжим трубы в нижнем трубозажимном устройстве 4 гидроцилиндром 28.
Корпуса нижнего 21 и верхнего 33 трубозажимных устройств перемещаются в исходное положение гидроцилиндром 11, шток которого перемещает опорные профили 13 за перемычку 16, при этом шестерни 15, передают усилие гидроцилиндра 11 на рейки 20, в результате чего корпуса нижнего и верхнего трубозажимных устройств перемещаются по роликам 14 опорных профилей 13. Перемещение прекращается, когда гидроцилиндр сделает полный рабочий ход.
Таким образом, заявленное техническое решение позволит:
- увеличить надежность ключа бурового для работы с трубными элементами за счет применения антифрикционной прокладки между опорной и подвижной колоннами с обеспечением возможности регулирования зазора между ними;
- улучшить условия эксплуатации ключа бурового для работы с трубными элементами путем уменьшения его габаритов за счет применения одного гидроцилиндра и за счет применения в конструкции каретки для горизонтального перемещения корпусов верхнего и нижнего трубозажимных устройств реечных зубчатых передач, где реечные передачи служат для удвоения длины хода указанного гидроцилиндра;
- улучшить условия эксплуатации ключа бурового для работы с трубными элементами за счет отсутствия необходимости смены зажимов, в нижнем трубозажимном устройстве, при работе с разными типоразмерами труб;
- увеличить надежность, снизив нагрузку на механизмы ключа бурового для работы с трубными элементами, за счет применения зубчатых сегментов в приводе нижнего трубозажимного устройства, что позволяет при зажиме трубы совместить ось зева корпуса нижнего трубозажимного устройства с осью зажимаемой трубы, без возникновения реактивного момента на механизмы ключа;
- улучшить условия эксплуатации ключа бурового для работы с трубными элементами за счет применения эксцентриковых зажимов в верхнем трубозажимном устройстве, что обеспечивает более надежный захват за тело трубы в процессе выполнения операций свинчивания и развинчивания;
- увеличить надежность за счет применения планетарной коробки передач с осевым кулачковым механизмом переключения передач;
- увеличить надежность за счет герметичности планетарной коробки передач, что позволяет ему бесперебойно работать во внешних неблагоприятных условиях;
- улучшить условия эксплуатации ключа бурового для работы с трубными элементами за счет непрерывного контроля, ограничения и вывода на пульт управления фактического значения, крутящего момента, развиваемого верхним трубозажимным устройством;
- повысить ремонтопригодность ключа бурового для работы с трубными элементами в целом за счет того, что верхнее и нижнее трубозажимные устройства выполнены в отдельных друг от друга корпусах, что позволяет проводить их поузловую замену.