ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ШТИФТОМ ТРУБЧАТОЙ КОНСТРУКЦИИ, КОМБИНИРОВАННЫЙ ИНСТРУМЕНТ И СПОСОБ ФИКСАЦИИ ШТИФТОМ ТРУБЧАТОЙ КОНСТРУКЦИИ
INSTRUMENT FOR FIXATION OF TUBULAR STRUCTURE WITH PIN, COMBINED INSTRUMENT, AND METHOD FOR FIXATION OF TUBULAR STRUCTURE WITH PIN

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к штифтовому инструменту для продавливания штифта через боковую стенку трубчатой конструкции, например, обсадной колонны. Изобретение также относится к комбинированному штифтовому инструменту и режущему инструменту для продавливания штифта через боковую стенку трубчатой конструкции и резания трубчатой конструкции. Изобретение также относится к способу штифтовой фиксации трубчатой конструкции посредством штифтового инструмента.
Уровень техники
Во время работ на нефтяных платформах иногда требуется разрезать трубчатые конструкции, такие как обсадные колонны, бурильные колонны, эксплуатационные трубы и райзеры. Как правило, трубчатые конструкции режут на короткие секции для облегчения манипуляций с ними. После резания трубчатые конструкции обычно поднимаются с пола буровой установки. Общим для многих разрезаемых трубчатых конструкций является то, что они часто состоят из нескольких труб, расположенных одна в другой, то есть труба в трубе. Существует риск того, что одна или несколько труб внутри другой трубы могут соскользнуть или выпасть после разрезания и последующего поднятия.
Для устранения вышеупомянутых рисков были разработаны способы сверления отверстий в трубах и вставки болта перед резанием. Подобный прием называется штифтовой фиксацией. Пример такого приема раскрыт в патентом документе SU 1348087, описывающем решение, наиболее близкое к настоящему изобретению по числу общих признаков. Однако данному известному способу присущ недостаток, заключающийся в его трудоемкости. Таким образом, существует необходимость в более быстрых способах штифтовой фиксации.
Раскрытие сущности изобретения
Целью изобретения является устранение или уменьшение значимости по меньшей мере одного из недостатков предшествующего уровня техники, или по меньшей мере обеспечение полезной альтернативы предшествующему уровню техники.
Цель достигается с помощью признаков, которые указаны в приведенном ниже описании и в последующей формуле изобретения.
Изобретение определено в независимых пунктах формулы патента. Зависимые пункты формулы определяют предпочтительные варианты осуществления изобретения.
В первом аспекте изобретение относится, в частности, к штифтовому инструменту для штифтовой фиксации трубчатой конструкции путем продавливания штифта через боковую стенку трубчатой конструкции, причем штифтовый инструмент содержит:
- корпус инструмента, выполненный с возможностью приема трубчатой конструкции;
- исполнительный механизм, установленный на корпусе инструмента, причем исполнительный механизм снабжен поршневым штоком, причем исполнительный механизм выполнен с возможностью поступательного перемещения поршневого штока;
- штифтовый переходник, разъемно соединенный с поршневым штоком исполнительного механизма и выполненный с возможностью приема и удержания штифта, который должен быть продавлен через боковую стенку трубчатой конструкции и оставлен в ней, и
- реактивный элемент для фиксации положения корпуса инструмента относительно трубчатой конструкции в процессе штифтовой фиксации,
причем поступательное перемещение поршневого штока вызывает смещение штифтового переходника, продавливая, при рабочем использовании, штифт через боковую стенку трубчатой конструкции.
Штифтовая фиксация или пиннинг (от англ. pinning) (т.е. сверление отверстия в трубчатой конструкции и проталкивание штифта через отверстие) - известный термин в технической области добычи нефти и газа. Изобретение фактически определяет штифтовую фиксацию как продавливание штифта через боковую стенку трубчатой конструкции (штифт затем оставляют). Действие штифтового инструмента в соответствии с изобретением заключается в следующем. При рабочем использовании штифтового инструмента штифт размещают на штифтовом переходнике, который удерживает его. Затем трубчатую конструкцию располагают в корпусе инструмента и используют исполнительный механизм для продавливания штифта через трубчатую конструкцию. (Гидравлический) исполнительный механизм, известный из области режущих инструментов, удобно обеспечивает очень высокие усилия, так что автор изобретения нашел, что этот эффект может быть удобно использован для штифтовой фиксации. В отличие от известного способа штифтовой фиксации, заключающегося в сверлении отверстия и продавливании штифта через отверстие, операция штифтовой фиксации в соответствии с изобретением может быть выполнена значительно быстрее, обычно за время порядка 5-10 минут.
Следует понимать, что изобретение не ограничивается продавливанием штифта только через одну боковую стенку трубчатой конструкции. Напротив, штифт может быть продавлен через всю трубчатую конструкцию и несколько трубчатых конструкций, расположенных одна в другой.
В одном из вариантов осуществления продольная ось трубчатой конструкции должна быть по существу перпендикулярна направлению поступательного перемещения при штифтовой фиксации. Однако это не следует рассматривать как ограничение штифтового инструмента, означающее невозможность работы под разными углами между продольной осью трубчатой конструкции и направлением поступательного перемещения. Следующим результатом изобретения является то, что штифт может ограничивать скольжение и/или вращение трубчатых конструкций, расположенных внутри более крупной трубчатой конструкции, относительно внешней трубчатой конструкции. Штифт также может быть использован в качестве точки подъема.
В одном из вариантов осуществления исполнительный механизм, штифтовый переходник и корпус инструмента могут быть расположены таким образом, чтобы при рабочем использовании, когда штифт расположен на штифтовом переходнике и удерживается им, штифт мог проникать через боковую стенку, причем продольная ось штифта по существу параллельна направлению поступательного перемещения. Результатом выравнивания штифта параллельно направлению поступательного перемещения является снижение риска повреждения, например разлома или изгиба, штифта при штифтовой фиксации. В предпочтительном варианте осуществления продольная ось штифта может быть выровнена с продольной осью штока поршня. Результатом этого является то, что усилие от исполнительного механизма передается через поршневой шток и штифт по прямой линии, таким образом, не вызывая никакого изгибающего момента в штифте, штифтовом переходнике или поршневом штоке.
В одном из вариантов осуществления штифт расположен на штифтовом переходнике и удерживается им. В процессе штифтовой фиксации по настоящему изобретению штифт продавливается (проникает) через боковую стенку трубчатой конструкции и остается в ней. Это означает, что штифтовый инструмент по настоящему изобретению может продаваться без штифта. При рабочем использовании штифтового инструмента штифт обычно разъемно соединен с штифтовым переходником. В данном варианте осуществления штифтовый инструмент оснащен штифтом.
В одном из вариантов осуществления штифт может быть снабжен выступом, проходящим по спирали вокруг продольной оси. Спиралевидный выступ может заставлять штифт вращаться вокруг продольной оси по мере проникновения в трубчатую конструкцию. Этот вариант не следует понимать как то, что штифт активно вращают, например, посредством двигателя, по мере его проникновения в трубчатую конструкцию. Вращение происходит исключительно в результате самого проникновения. Одним из результатов вращения штифта является то, что штифт может легче проникать в боковую стенку трубчатой конструкции, то есть с меньшим осевым усилием.
В одном из вариантов осуществления первая концевая часть штифта может быть сменной. Результатом этого варианта осуществления изобретения является то, что первая концевая часть, например наконечник штифта, может быть заменен, чтобы подходить для трубчатой конструкции, которую фиксируют. Например, первая концевая часть должна иметь более высокий предел текучести, чем трубчатая конструкция, чтобы избежать деформации штифта во время штифтовой фиксации. Таким образом, для трубчатой конструкции из высокопрочного материала первая концевая часть может быть заменена на такую, материал которой имеет еще более высокую прочность, чем трубчатая конструкция. В одном из вариантов осуществления весь штифт может быть изготовлен из материала, имеющего более высокую прочность, чем материал трубчатой конструкции.
В одном из вариантов осуществления положение штифтового переходника относительно трубчатой конструкции может регулироваться в поперечном направлении, ортогональном продольной оси. Результатом регулировки поперечного положения штифтового переходника по отношению к трубчатой конструкции является возможность регулирования точки входа штифта в боковую стенку трубчатой конструкции. Это может быть выгодно, если одна или несколько труб расположены внутри внешней трубы со смещением от центра. Таким образом, для обеспечения проникновения штифта во все трубы может потребоваться отрегулировать поперечное положение переходника.
В одном из вариантов осуществления к корпусу инструмента может быть шарнирно прикреплен реактивный элемент, в закрытом положении охватывающий трубчатую конструкцию. Результатом шарнирного прикрепления реактивного элемента к корпусу инструмента является возможность его отворота в сторону при расположении штифтового инструмента рядом с трубчатой конструкцией. После позиционирования реактивный элемент может быть повернут обратно и соединен с трубчатой конструкцией для обеспечения неизменности положения штифтового инструмента относительно трубчатой конструкции.
Реактивный элемент может охватывать трубчатую конструкцию. Охватывание трубчатой конструкции можно понимать как окружение или заключение трубчатой конструкции в кольцо. Одним из результатов охватывания трубчатой конструкции является то, что оно обеспечивает надежную фиксацию штифтового инструмента к трубчатой конструкции.
В одном из вариантов осуществления трубчатая конструкция является одним из следующего: обсадной колонной, кондуктором, бурильной колонной, эксплуатационной трубой или райзером. Это наиболее распространенные типы трубчатых конструкций, которые могут требовать штифтовой фиксации во время операций на нефтяной платформе. Следует отметить, что изобретение также облегчает штифтовую фиксацию множества трубчатых конструкций, расположенных одна в другой и содержащих между собой цементный раствор. Это может быть особенно актуально для обсадной колонны или кондуктора, содержащих внутри одну или несколько обсадных колонн или труб, поскольку кольцевое пространство между ними часто цементируют.
Во втором аспекте изобретение относится, в частности, к комбинированному штифтовому инструменту и режущему инструменту для штифтовой фиксации и резания трубчатой конструкции, причем указанный комбинированный инструмент содержит:
- штифтовой инструмент по любому из предыдущих предложенных вариантов осуществления;
- невращаемый режущий элемент, соединенный с поршневым штоком;
- второй реактивный элемент для приложения реактивного усилия к трубчатой конструкции во время резания.
Комбинированный штифтовой и режущий инструмент обеспечивает возможность осуществления операции штифтовой фиксации и операции резания одним и тем же инструментом, причем гораздо быстрее, чем это позволяют обычные методы. Указанный комбинированный инструмент может иметь два режима работы: один режим штифтовой фиксации и один режим резания. Резание может быть выполнено посредством второго поступательного перемещения поршневого штока.
В одном из вариантов осуществления второй реактивный элемент может быть шарнирно прикреплен к корпусу инструмента и содержит второй режущий элемент, направленный в рабочем положении к невращаемому режущему элементу для облегчения резания. Результатом шарнирного крепления второго реактивного элемента к корпусу инструмента является возможность отворота второго реактивного элемента в сторону в режиме штифтовой фиксации. Таким образом, соответствующий реактивный элемент может быть выбран в зависимости от того, какой режим работы требуется, штифтовая фиксация или резание.
Результатом наличия дополнительного режущего элемента на втором реактивном элементе является то, что резание может выполняться быстрее, что сокращает время резания. В одном из вариантов осуществления второй реактивный элемент может быть выполнен таким образом, что в рабочем, т.е. в закрытом положении, расстояние между продольной осью трубчатого элемента и поршневым штоком уменьшено по сравнению с указанным расстоянием в режиме штифтовой фиксации. Таким образом, ход поршневого штока в режиме штифтовой фиксации может быть близким к ходу в режиме резания.
В третьем аспекте изобретение относится, в частности, к способу штифтовой фиксации трубчатой конструкции посредством штифтового инструмента в соответствии с любым из пунктов 1-8 формулы, причем способ содержит следующие этапы:
- снабжают штифтовый инструмент штифтом, удерживаемым штифтовым переходником с возможностью высвобождения;
- располагают штифтовый инструмент рядом с трубчатой конструкцией;
- фиксируют положение штифтового инструмента относительно трубчатой конструкции;
- приводят в действие штифтовый инструмент для продавливания штифта через боковую стенку трубчатой конструкции путем осуществления поступательного перемещения поршневого штока исполнительного механизма, и
- высвобождают штифт из штифтового переходника.
Результатом штифтовой фиксации трубчатой конструкции согласно данному варианту осуществления изобретения является то, что штифтовая фиксация может осуществляться гораздо быстрее по сравнению с обычной техникой сверления сквозного отверстия в трубчатой конструкции.
В одном из вариантов осуществления, на этапе расположения штифтового инструмента расположение включает в себя регулирование положения штифтового переходника относительно трубчатой конструкции в поперечном направлении, ортогональном продольной оси. Штифтовый инструмент данного варианта осуществления изобретения обеспечивает возможность гарантированного проникновения штифта во внутренние трубчатые конструкции, расположенные со смещением относительно центра наружной трубчатой конструкции.
Краткое описание чертежей
Ниже описан пример предпочтительного варианта осуществления, проиллюстрированного на прилагаемых чертежах, в которых:
На Фиг. 1 показан вид в аксонометрии штифтового инструмента в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
На Фиг. 2 показан вид в плане штифтового инструмента с реактивным элементом в открытом положении;
На Фиг. 2А показана часть штифта в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения;
На фиг.3 показан вид в аксонометрии штифтового инструмента в положении зацепления;
На Фиг. 4А-Е в меньшем масштабе, чем на Фиг. 2, в упрощенном варианте показаны различные этапы операции штифтовой фиксации с использованием штифтового инструмента;
На Фиг. 5А в том же масштабе, что и на Фиг. 1, показан комбинированный инструмент штифтовой фиксации и резания в соответствии с одним вариантом осуществления изобретения, и
На Фиг 5В в меньшем масштабе, чем на Фиг. 5А, показан вид в плане комбинированного инструмента штифтовой фиксации и резания.
Осуществление изобретения
На фигурах и в подробном описании приведен только один пример штифтового инструмента. Следует отметить, что изобретение не ограничивается этим примером. Фиг. 1 представляет собой вид в аксонометрии варианта осуществления штифтового инструмента 1 в соответствии с настоящим изобретением. Штифтовый инструмент 1 может быть установлен на полу буровой платформы в качестве дополнительного приспособления устройства для механизированной подвески и развинчивания труб (не показано) или в качестве отдельной системы (не показано), которая может перемещаться вперед и назад (например, с помощью рельсовой системы) по роторному вкладышу для ведущей трубы (RKB, от англ. Rotary Kelly Bushing) для каждой операции штифтовой фиксации. В качестве альтернативы им можно манипулировать с помощью крана или манипулятора (не показаны).
На фиг. 1 показан штифтовый инструмент 1, содержащий корпус 2 инструмента. На корпусе 2 инструмента установлен реактивный элемент 3, выполненный с возможностью вращения. Реактивный элемент 3 может быть избирательно открыт или закрыт.Реактивный элемент 3 содержит первый охватывающий элемент 33 и второй охватывающий элемент 34, образующие замкнутый контур 30 (см. фиг. 2) для приема трубчатой конструкции 8 (см. рис. 4 В). Второй охватывающий элемент 34 выполнен с возможностью соединения с первым охватывающим элементом 33.
Реактивный элемент 3 соединен с корпусом 2 инструмента шарнирным механизмом 32. В закрытом положении реактивный элемент 3 может быть зафиксирован на месте стопорным болтом 31, вставляемым через корпус 2 инструмента и реактивный элемент 3.
В закрытом положении реактивный элемент 3 фиксирует положение корпуса инструмента 1 относительно трубчатой конструкции 8. Внутренний диаметр D (см. фиг. 2) охватывающих элементов 33, 34 может быть отрегулирован посредством вставок для приведения в соответствие с наружным диаметром соответствующей трубчатой конструкции 8 и обеспечивает прочное крепление штифтового инструмента 1 к трубчатой конструкции 8.
Второй охватывающий элемент 34 снабжен отверстием 35 для обеспечения прохождения через него штифта 4. Первый охватывающий элемент 33 также может быть снабжен аналогичным отверстием (не показано).
На фиг. 1 дополнительно показан штифтовый инструмент 1, содержащий исполнительный механизм 5. В этом конкретном варианте осуществления штифтовый инструмент 1 снабжен тремя исполнительными механизмами 5. Исполнительный механизм 5 содержит корпус 51 и поршневой шток 52 (см. фиг. 3). Исполнительный механизм 5 приводится в действие гидравлическим давлением для перемещения поршневого штока 52. Исполнительный механизм 5 выполнен с возможностью обеспечения значительного осевого усилия, например, 1000 тонн.
Каждый поршневой шток 52 соединен с общим кронштейном 6 (см. фиг. 3). Когда исполнительные механизмы 5 выдвигают поршневые штоки 52 в направлении реактивного элемента 3, кронштейн 6 двигается вдоль направляющей 60 на корпусе 2 инструмента, обеспечивающей его опирание.
На фиг. 2 показан штифтовый переходник 7, соединенный с общим кронштейном 6. Штифтовый переходник 7 выполнен с возможностью соединения с общим кронштейном 6, например, с помощью болтов. Поперечное положение штифтового переходника 7 относительно кронштейна 6 является регулируемым. Поперечное направление соответствует направлению оси Y, проиллюстрированному системой 200 координат X-Y. Регулирование поперечного положения штифтового переходника 7 может потребоваться для обеспечения продавливания (проникновения) штифта 4 через трубчатую конструкцию 8 в нужном месте, например, через центр трубчатой конструкции 8. Штифтовый переходник 7 выполнен с возможностью приема и удержания штифта 4. Продольная ось 40 штифта 4 показана расположенной параллельно поршневым штокам 52 и, следовательно, параллельно направлению поступательного перемещения поршневых штоков 52.
Первая концевая часть 41 штифта 4 выполнена с заостренным наконечником 410 для более легкого проникновения в боковую стенку 80 трубчатой конструкции 8. Первая концевая часть 41 может иметь различные варианты осуществления, только один из которых показан на фигурах. В одном из вариантов осуществления первая концевая часть 41 является съемной. Это обеспечивает возможность замены первой концевой части 41 штифта 4, например, на первую концевую часть 41, изготовленную из более прочного материала.
Вторая концевая часть 42 штифта 4 выполнена с возможностью соединения с штифтовым переходником 7. В одном из вариантов осуществления штифт 4 может быть закреплен на штифтовом переходнике 7. В другом варианте осуществления штифт 4 может быть соединен с штифтовым переходником 7 с возможностью вращения. Соединение с возможностью вращения позволяет штифту 4 вращаться по мере продавливания через трубчатую конструкцию 8. На фиг.2а показана часть варианта осуществления штифта 4, содержащего выступ 411, проходящий по спирали вокруг продольной оси 40. Спиралевидный выступ 411 выступает из наружной поверхности 412 первой концевой части 41 штифта 4. Выступ 411 может вызывать вращение штифта 4 по мере его продавливания через трубчатую конструкцию 8. Вращение может уменьшать требуемое осевое усилие для продавливания штифта 4 через трубчатую конструкцию 8.
На фиг.2 поршневые штоки 52 показаны частично выдвинутыми, а реактивный элемент 3 находится в открытом положении. На фиг.3 поршневые штоки 52 показаны полностью выдвинутыми, а реактивный элемент 3 находится в закрытом положении. Когда поршневые штоки 52 полностью выдвинуты, штифт 4 пересекает закрытый контур 30.
На фиг. 4 и 5 показана операция штифтовой фиксации в виде упрощенных шагов. На фиг. 4А показан штифтовый инструмент 1 в исходном положении, при чем реактивный элемент 3 находится в открытом положении, а второй охватывающий элемент 34 отсоединен от первого охватывающего элемента 33. Поршневые штоки 52 находятся во втянутом положении, а штифт 4 установлен на штифтовом переходнике 7.
На фиг. 4В показан штифтовый инструмент 1, расположенный рядом с трубчатой конструкцией 8, такой как обсадная колонна. На фиг. 4С реактивный элемент 3 повернут в закрытое положение, а второй охватывающий элемент 34 соединен с первым охватывающим элементом 33 для фиксации положения трубчатой конструкции 8 относительно корпуса 2 инструмента. Теперь штифтовый инструмент 1 готов к штифтовой фиксации трубчатой конструкции 8.
На фиг. 4D показан штифт 4, продавливаемый через боковую стенку 80 трубчатой конструкции 8. На фиг. 4Е показан штифт 4, полностью продавленный через трубчатую конструкцию 8. После штифтовой фиксации штифт 4 отсоединяют от штифтового переходника 7, оставляя штифт 4 в трубчатой конструкции 8, при этом втягивают поршневые штоки 52.
На фиг. 5А показан комбинированный штифтовый и режущий инструмент 100. Комбинированный инструмент 100 содержит штифтовый инструмент 1, аналогичный описанному ранее, и режущий инструмент 101. Как видно из предыдущих фигур, штифтовый инструмент 1 изображен содержащим режущий инструмент 101. Однако важно отметить, что штифтовый инструмент 1 не требует режущего инструмента 101 для функционирования, так сделано только для иллюстрации. Режущий инструмент 101 содержит два режущих лезвия 102, 103. Первое режущее лезвие 102 установлено на общем кронштейне 6, а второе режущее лезвие 103 установлено на втором независимо вращаемом реактивном элементе 104. Второй реактивный элемент 104, выполненный с возможностью вращения, шарнирно соединен с корпусом 2 инструмента и может быть избирательно открыт или закрыт независимо от реактивного элемента 3, используемого для штифтовой фиксации. Второй реактивный элемент 104, выполненный с возможностью вращения, может быть зафиксирован в закрытом положении стопорным болтом 31.
Трубчатую конструкцию 8 разрезают поступательным перемещением поршневых штоков 52, смещающих первое режущее лезвие 102 в сторону второго режущего лезвия 103. Второе режущее лезвие 103 сокращает необходимое время для выполнения резания. Резание может быть выполнено после штифтовой фиксации трубчатой конструкции 8. Режущие лезвия 102, 103 могут быть расположены таким образом, чтобы они прорезали трубчатую конструкцию 8 на другой высоте, чем та, где расположен штифт 4. В качестве альтернативы режущие лезвия 102, 103 могут быть расположены на той же высоте, что и штифт 4. Однако между штифтовой фиксацией и резанием трубчатую конструкцию 8 поднимают или опускают относительно корпуса 2 инструмента таким образом, что резание выполняется на другой высоте, чем та, где расположен штифт 4.
В ситуации, когда несколько трубчатых конструкций расположены одна в другой (не показаны), штифтовая фиксация трубчатых конструкций перед резанием может предотвратить падение или скольжение внутренней трубчатой конструкции относительно внешней трубчатой конструкции после резания.
На фиг. 5В показан пример трубчатой конструкции 8, которая была зафиксирована штифтовым образом и готова к разрезанию. Как видно из фиг. 5В, трубчатая конструкция 8 расположена ближе к исполнительным механизмам 5 по сравнению с тем, когда трубчатую конструкцию 8 удерживает реактивный элемент 3, используемый для штифтовой фиксации. Это связано с ограничением хода поршневых штоков 52. Чтобы режущие лезвия 102, 103 могли полностью прорезать трубчатую конструкцию 8 в пределах хода поршневых штоков 52, трубчатая конструкция должна быть расположена ближе к первому режущему лезвию 102.
Из фиг. 5В также видно, что режущие лезвия 102, 103 расположены на более низкой высоте, чем штифт 4, чтобы предотвратить ограничение штифтом 4 операции резания. Также видно, что реактивный элемент 3, используемый для штифтовой фиксации, открыт на фиг. 5В, в сравнении с закрытым на фиг. 5А. На фиг. 5А также удален второй охватывающий элемент 34. Независимо от того, открыт или закрыт реактивный элемент 3, это никак не влияет на операцию резания. То или другое может быть желательно по практическим соображениям.
Следует отметить, что вышеупомянутые варианты осуществления иллюстрируют, но не ограничивают изобретение, и что специалисты в данной области техники могут разработать множество альтернативных вариантов осуществления, не выходя за рамки прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения любые ссылочные обозначения, помещенные между скобками, не должны толковаться как ограничивающие формулу изобретения. Использование глагола "содержит" и его спряжений не исключает наличия элементов или этапов, отличных от указанных в формуле изобретения. Употребление какого-либо элемента в форме единственного числа, не исключает возможность наличия множества таких элементов.
Факт того, что определенные меры приводятся во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, сам по себе не означает, что для получения преимуществ не может быть использовано сочетание этих мер.