Механизм для свинчивания и развинчивания штанг
MAKE-AND-BRAKE DEVICE FOR DRILL RODS

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности, а именно к механизмам для свинчивания и развинчивания насосных штанг.
Известен механизм для свинчивания и развинчивания штанг (авторское свидетельство SU №810933, МПК Е21В 19/16, опубл. 07.03.1981 г. в бюл. №9), включающий привод вращения штанг, штанговый захват, который снабжен контрключом с расточками под головку насосной штанги в верхней части штангового захвата и наружными выступами в нижней его части, выполненными под соответствующие пазы, предусмотренные на стойке с узлом крепления ее к устьевому оборудованию, при этом штанговый захват выполнен с выступами на наружной поверхности, а стойка - с пазами под эти выступы, причем контрключ жестко связан со штанговым захватом и имеет две расточки под штанги.
Недостатками механизма являются:
- во-первых, штанговый захват не обеспечивает соосность (центрирование) насосной штанги между штанговым захватом и стойкой узла крепления ее к устьевому оборудованию в процессе свинчивания насосных штанг, поэтому вследствие отсутствия центрирования насосной штанги возникает перекос резьбы при свинчивании насосных штанг;
- во-вторых, не обеспечивается фиксация контрключом квадрата насосной штанги в любом положении, поэтому штанговый захват должен быть установлен строго в требуемом положении и если учесть, что это происходит в динамике под действием осевых нагрузок, то это требует затрат времени на подгонку, что делает процесс свинчивания и развинчивания штанг трудоемким;
- в-третьих, при свинчивании штанговый захват не удобен в применении, так как возникает необходимость вручную произвести небольшой наворот резьб насосной штанги (наживление), при этом по причине отсутствия соосности насосной штанги штангового захвата возникает перекос резьбы.
Также известно устройство для свинчивания и развинчивания штанг (патент RU №2204010, МПК Е21В 19/16, опубл. 10.05.2003 г. в бюл. №13), включающее привод вращения штанг, штанговый захват с открытым зевом под насосную штангу, снабженный контрключом с расточками под головку насосной штанги в верхней части штангового захвата и наружными выступами в нижней его части, выполненными под соответствующие пазы, предусмотренные на стойке с узлом крепления ее к устьевому оборудованию, причем штанговый захват на участке между контрключом и наружными выступами снабжен поворотной наружной втулкой с жестко связанным с последней внутренним центратором, причем поворотная наружная втулка и внутренний центратор имеют открытый зев под насосную штангу и установлены с возможностью фиксации поворота относительно штангового захвата, наружные выступы штангового захвата относительно пазов стойки выполнены самоустанавливающимися, а в качестве привода вращения штанг использован подвесной трубный ключ с гидромотором, снабженный сменными подвижной и неподвижной челюстями, захватная рабочая поверхность которых выполнена под квадрат насосной штанги.
Недостатками устройства являются:
- во-первых, сложность конструкции, обусловленная большим количеством узлов и деталей и, как следствие, высокая стоимость устройства;
- во-вторых, сложный технологический процесс применения данного устройства в процессе свинчивания и развинчивания насосных штанг.
Наиболее близким по технической сущности является механизм для свинчивания и развинчивания штанг (патент на полезную модель RU №113779, МПК Е21В 19/16, опубл. 27.02 2012 г. в бюл. №6), включающее привод вращения штанг, выполненный в виде подвесного ключа с гидромотором, штанговый захват с открытым зевом под насосную штангу и наружными выступами в нижней его части, выполненными под соответствующие пазы, предусмотренные на стойке с узлом крепления ее к устьевому оборудованию, при этом в штанговом захвате и насадке штанговой имеются предохранительные втулки и пазы, выполненные соответствующими головке штанговой, а количество выступов для установки и закрепления штангового захвата со стойкой ограничено только четырьмя выступами со скосом при зацеплении под определенным углом, поворотную втулку с вырезом, установленную на штанговом захвате.
Недостатками механизма являются:
- во-первых, сложная конструкция, обусловленная большим количеством узлов и деталей (насадка штанговая, предохранительная втулка и т.д.);
- во-вторых, штанговый захват не обеспечивает соосность (центрирование) насосной штанги между штанговым захватом и стойкой узла крепления ее к устьевому оборудованию в процессе свинчивания насосных штанг, поэтому вследствие отсутствия центрирования насосной штанги возникает перекос резьбы при свинчивании насосных штанг, а также неудобства при вращении поворотной втулки относительно штангового захвата;
- в-третьих, наружные выступы штангового захвата, выполненные под соответствующие пазы на стойке, при их взаимодействии контактируют торцами, при этом для их зацепления между собой необходимо провернуть штанговый захват, для того чтобы выступы и пазы совпали, после чего происходит их зацепление, что повышает трудоемкость работ;
- в-четвертых, поворотная втулка не имеет возможности неподвижной фиксации относительно штангового захвата, что повышает вероятность возникновения травматизма работников, связанного с вылетом насосной штанги из штангового захвата в процессе проведения спуско-подъемных операций с насосными штангами.
Технической задачей изобретения является упрощение конструкции механизма, а также разработка удобного в работе механизма, позволяющего центрировать штангу в механизме, а также снижение трудоемкости работ при свинчивании и развинчивании штанг и снижение вероятности возникновения травматизма работников.
Поставленная задача решается механизмом для свинчивания и развинчивания штанг, включающим привод вращения штанг, выполненный в виде подвесного ключа с гидромотором, штанговый захват с открытым зевом под насосную штангу и наружными выступами в нижней части штангового захвата, выполненными под соответствующие пазы, предусмотренные на стойке, закрепленной к устьевому оборудованию, поворотную втулку с вырезом, установленную на штанговом захвате.
Новым является то, что на наружной поверхности штангового захвата выполнен фигурный паз, состоящий из одной продольной проточки и двух поперечных проточек, выполненных из концов продольной проточки и направленных вниз, поворотная втулка оснащена внутри направляющим штифтом, вставленным в фигурный паз штангового захвата с возможностью осевого и продольного перемещения поворотной втулки относительно штангового захвата в пределах фигурного паза, причем длина продольной проточки фигурного паза штангового захвата соответствует углу вращения поворотной втулки на 180°, штанговый захват оснащен радиальным отверстием, в которое установлен фиксатор поворотной втулки, причем с одной стороны фиксатор подпружинен в радиальном отверстии штангового захвата, а с другой стороны фиксатор снабжен конусом, взаимодействующим с внутренней поверхностью поворотной втулки с возможностью сжатия пружины и перемещения фиксатора в радиальном отверстии штангового захвата, при этом при выходе конуса фиксатора из контакта с внутренней поверхностью поворотной втулки происходит ограниченное перемещение фиксатора из отверстия штангового захвата и фиксация поворотной втулки за его верхний торец относительно штангового захвата, причем снаружи поворотная втулка оснащена рукояткой, а штанговый захват и стойка внутри снабжены центраторами, при этом наружные выступы в нижней части штангового захвата и пазы на стойке снабжены взаимообращенными друг к другу конусными поверхностями.
На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство в продольном разрезе.
На фиг. 2 изображен разрез А-А штангового захвата с открытым зевом.
На фиг. 3 изображена развертка штангового захвата с фигурным пазом.
На фиг. 4 изображен разрез А-А штангового захвата с закрытым зевом.
На фиг. 5 изображен увеличенный вид В фиксатора поворотной втулки.
На фиг. 6 изображен вид С наружного выступа штангового захвата.
Механизм для свинчивания и развинчивания штанг включает привод вращения штанг, выполненный в виде подвесного ключа с гидромотором, штанговый захват 1 (см. фиг. 1, 2 и 3, 4) с открытым зевом 2 под насосную штангу 3.
На наружной поверхности штангового захвата 1 выполнен фигурный паз 4, состоящий из одной продольной проточки 5 и двух поперечных проточек 6 и 7, выполненных из концов продольной проточки 5 и направленных вниз.
Снаружи штангового захвата 1 установлена поворотная втулка 8 с вырезом 8', оснащенная внутри направляющим штифтом 9, вставленным в фигурный паз 4 штангового захвата с возможностью осевого и продольного перемещения затвора относительно штангового захвата 1 в пределах фигурного паза 4.
Длина продольной проточки 5 фигурного паза 4 штангового захвата 1 соответствует углу вращения поворотной втулки 8 на α=180°.
Штанговый захват 1 оснащен радиальным отверстием 10 (см. фиг. 1 и 5), в которое установлен фиксатор 11 поворотной втулки 8, причем с одной стороны фиксатор подпружинен пружиной 12 в радиальном отверстии 10 штангового захвата 1.
С другой стороны фиксатор 11 снабжен конусом 13, взаимодействующим с внутренней поверхностью 14 поворотной втулки 8 с возможностью сжатия пружины 12 и перемещения фиксатора 11 в радиальное отверстие 10 штангового захвата 1 с последующим ограниченным перемещением фиксатора 11 из радиального отверстия 10 штангового захвата 1 и фиксацией поворотной втулки 8 за его верхний торец 14' относительно штангового захвата 1 при выходе из контакта конуса 13 фиксатора 11 с внутренней поверхностью 14 поворотной втулки 8.
Снаружи поворотной втулки 8 оснащен рукояткой 15 (см. фиг. 1). Штанговый захват 1 и стойка 16 внутри снабжены соответствующими центраторами 17 и 17'.
Наружные выступы 18 (см. фиг. 1 и 6) в нижней части штангового захвата 1 выполнены под соответствующие пазы 19, предусмотренные на стойке 16, закрепленной к устьевому оборудованию 20 (планшайбе). Наружные выступы 18 и пазы 19, например, выполнены в виде зубчатой передачи.
Наружные выступы 18 штангового захвата 1 и пазы 19 на стойке 16 снабжены взаимообращенными друг к другу конусными поверхностями 21 и 22 соответственно.
Механизм для свинчивания и развинчивания штанг работает следующим образом.
После спуска в скважину колонны насосно-компрессорных труб (на фиг. 1-5 не показаны) необходимо спустить колонну насосных штанг 3 (см. фиг. 1) с насосным оборудованием (на фиг. 1-5 не показаны). Плунжер вставного насоса (не показан) соединяют с насосной штангой 3 (см. фиг. 1). Для свинчивания насосных штанг при открытом зеве 2 (см. фиг. 1 и 2) штанговый захват 1 надевают на муфтовую головку 23 насосной штанги 3, так чтобы квадрат насосной штанги 3 вошел в зацепление с внутренним квадратным пазом штангового захвата 1. Далее фиксируют насосную штангу 3 в штанговом захвате 1 в заданном положении.
Для этого приподнимают поворотную втулку 8 за ручку 15 (см. фиг. 1-3) относительно неподвижного штангового захвата 1 на расстояние большее длины а, равной, например, 0,07 м, но меньшее высоты b, равной, например 0,12 м, т.е. с помощью ручки 15 приподнимают поворотную втулку 8 относительно штангового захвата 1, например, на 0,1 м (0,07 м<0,1 м<0,12 м). Затем вращают (например, против часовой стрелки) поворотную втулку 8 на α=180°, после чего с помощью ручки 15 опускают вниз поворотную втулку 8 относительно штангового захвата 1, при этом вырез 8' (см. фиг. 4) поворотной втулки 8 поворачивается на угол α=180° и открытый зев 2 штангового захвата 1 закрывается поворотной втулкой 8.
В результате проведенных манипуляций направляющий штифт 9 (см. фиг. 3) из поперечной проточки 6 перемещается в продольную проточку 5 и далее попадает в поперечную проточку 7 в пределах фигурного паза 4.
Ручка 15 обеспечивает удобство при вращении поворотной втулки 8 относительно штангового захвата 1. В процессе спускания поворотной втулки 8 вниз относительно штангового захвата 1 фиксатор 11 (см. фиг. 1 и 5), снабженный конусом 13, взаимодействует с внутренней поверхностью 14 поворотной втулки 8, при этом сжимается пружина 12 и фиксатор 11 перемещается в отверстие 10 штангового захвата 1.
При выходе конуса 13 фиксатора 11 из контакта с внутренней поверхностью 14 поворотной втулки 8 происходит ограниченное перемещение фиксатора 11 из отверстия 10 штангового захвата 1 и фиксации поворотной втулки 8 за его верхний торец 14' относительно штангового захвата 1.
Предлагаемое устройство позволяет фиксировать поворотную втулку 8 относительно штангового захвата 1, что снижает вероятность возникновения травматизма, связанного с вылетом насосной штанги из штангового захвата в процессе проведения спуско-подъемных операций с насосными штангами. Далее на штанговый захват 1 устанавливают трубный элеватор (на фиг. 1-5 не показано), подвешенный на крюк подъемника.
После этого насос с насосной штангой 3 (см. фиг. 1) спускают в скважину через стойку 16, на которую садится штанговый захват 1 в процессе спуска насосной штанги 3, причем наружные выступы 18 штангового захвата 1 входят во взаимодействие с пазами 19 на стойке 16 благодаря взаимообращенным друг к другу конусным поверхностям 21 и 22 соответственно.
В предложенном устройстве благодаря взаимообращенным друг к другу конусным поверхностям 21 и 22 исключается необходимость проворота штангового захвата 1 относительно стойки 16 с целью исключения торцевого взаимодействия выступов 18 штангового захвата 1 и пазов 19 стойки 16.
Элеватор снимают со штангового захвата 1 и надевают на насосную штангу 3', которая своим резьбовым концом 24 устанавливается в муфту 23.
Затем подвесным ключом (на фиг. 1-5 не показано) захватывают за наружную поверхность насосной штанги 3' (см. фиг. 1), после чего подвесной ключ включается в режим зажатия и вращения, при этом центраторы 17 и 17' центрируют по телу насосную штангу 3, соответственно в штанговом захвате 1 и стойке 16, что исключает перекос резьбы при свинчивании насосных штанг 3 и 3'.
Далее производят заворот резьбового конца 24 в муфту 23 на расчетный крутящий момент, например с моментом 1000 Н/м. После чего снимают подвесной ключ с насосной штанги 3', а штанговый захват 1 с насосной штанги 3. Спускают колонну насосных штанг вниз до тех пор, пока квадрат насосной штанги 3' не окажется над стойкой 16 устьевого оборудования 20. В дальнейшем, описанные выше работы повторяют. Для развинчивания насосных штанг вышеописанные операции проводят в обратной последовательности.
Предлагаемый механизм для свинчивания и развинчивания штанг имеет простую конструкцию, позволяет центрировать насосную штангу в механизме в процессе свинчивания, а также снизить как трудоемкость работ при свинчивании и развинчивании насосных штанг, так и вероятность возникновения травматизма работников, связанного с вылетом насосной штанги из штангового захвата в процессе проведения спуско-подъемных операций с насосными штангами.