ВРАЩАТЕЛЬ ТРУБ БУРОВЫХ УСТАНОВОК Российский патент 1994 года по МПК E21B19/06 E21B19/16 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано на существующих буровых установках работающих как на море, так и на суше.

На существующих буровых установках вращение и передача крутящего момента колонне при бурении осуществляется ротором через ведущую трубу, а операции по свинчиванию-развинчиванию замковых соединений выполняются буровым ключом. И ротор, и буровой ключ устанавливаются на буровой площадке. [1].

Такое решение, несмотря на свою распространенность, сдерживает производительность строительства скважины, вызванное прежде всего необходимостью проведения операций по отводу (вводу) вертлюга с ведущей трубой от оси (к оси) скважины при наращивании колонны очередной свечой или при разборке колонны.

Известна конструкция устройства для бурения скважин, в котором электродвигатель и редуктор размещены на неподвижной площадке, а вращение стволу вертлюга передается через ведущую штангу, выполненную в виде составного длинного стержня с лысками, посредством роликовых вкладышей, смонтированных в каретке, и цепной передачи [2].

Недостатками этой конструкции является сложность и низкий коэффициент надежности и работоспособности из-за большого количества подвижных деталей, требующих постоянной настройки и регулировки.

В настоящее время в ряде стран (США, Норвегия, Франция) появились буровые установки, в которых функцию ротора стали выполнять специализированные верхне- приводные бурильные системы [3 и 4], обеспечивающие передачу крутящего момента буровой колонне очередной свечой, наращенной на колонну за верхнюю муфту. При этом функции бурового ключа для свинчивания или развинчивания нижнего конца свечи с колонной или от колонны сохранились.

Основой конструктивного решения, принятого за прототип, является устройство, в корпус которого встроены привод вращателя и зубчатое колесо, имеющее внутри шлицевую расточку, посредством которой оно сочленено со стволом вертлюга. К нижней части устройства подвешен буровой ключ с двумя независимыми друг от друга секциями зажима труб. Рабочие органы бурового ключа, посредством которых осуществляется зажим труб, выполнены в виде раздвижных сухарей, соединенных через рычажные системы с гидроцилиндрами зажима. Принцип действия этого бурового ключа основан на соблюдении условий неподвижности нижней секции при захвате на муфту колонны и вращении верхней секции относительно оси вращения при захвате за нижнюю муфту подвешенной к вертлюгу свечи в момент довинчивания или начала свинчивания.

Основные недостатки указанной конструкции следующие:
- необходимость наличия специализированного бурового ключа для выполнения операций по свинчиванию свечи с колонной или развинчиванию свечи от колонны;
- отсутствие возможности применения этих систем в существующих буровых установках отечественного производства, оснащенных комплексом механизмов спуска-подъема труб (КМСП);
- ограниченный диапазон сортамента труб, применяемых при производстве скважин;
- сложность конструкции, требующая наличия дополнительных механизмов и узлов для выполнения операций по свинчиванию или развинчиванию труб (свечей);
- сложность и трудоемкость замены рабочих органов зажима труб.

Цель изобретения состоит в упрощении конструкции, расширении функциональных возможностей, повышении надежности, улучшении эксплуатационных качеств, уменьшении габаритов и массы.

Указанная цель достигается тем, что в зубчатое колесо привода вращателя встроен стакан, имеющий в нижней части проушины с шарнирно закрепленными в них дугообразными скобами, наружные поверхности которых сопряжены с плоскостями сегментов размещенных во вращающейся подвеской обойме, при этом наружная поверхность обоймы в нижней части охватывается фрикционным диском подвешенного на штоках гидроцилиндров к основанию корпуса вращателя труб.

Другие цели предлагаемого технического решения достигаются путем шарнирной встройки по концам дугообразных скоб сменных рычагов с рабочими органами (сухарями) зажима труб, а также путем размещения на наружной поверхности стакана, сочлененного в верхней части шлицевым соединением с зубчатым колесом, кольцевых расточек, посредством которых и отводных фиксаторов, встроенных в корпусе подвесной обоймы, стакан, а вместе с ним и рычаги с сухарями выводятся из корпуса вращателя и удерживаются на весу, обеспечивая, таким образом, удобный доступ к сменным рычагам и сухарям при их замене без предварительной разборки корпусных деталей вращения труб.

Предлагаемая конструкция вращателя труб обеспечивает:
- пропуск через внутренний проем вращателя труб бурильных и обсадных труб диаметрами в диапазоне от 80 до 450 мм;
- передачу крутящего момента от привода вращателя бурильной (обсадной) колонне как через ствол вертлюга при нахождении его во вращателе, так и в отсутствии вертлюга во вращателе;
- быструю замену рабочих органов зажима труб при переходе на другой диапазон труб или при их износе.

На фиг. 1 представлен вращатель труб, вид сбоку; на фиг. 2 - то же; вид спереди; на фиг. 3 - сечение А-А на фиг. 2; на фиг. 4 - сечение Б-Б на фиг. 2.

Вращатель труб буровых установок состоит из основания 1 выполненного в виде плиты, имеющий центральную расточку, в которую сверху вставлен корпус редуктора 2. Снизу к основанию 1 через стаканы 3 прикреплены болтами 4 два электродвигателя 5, выходные валы которых встроены в шестерни 6 находящихся в зацеплении с зубчатой передачей 7 вращателя труб. Основание 1 имеет четыре расточки 8 для пропуска через них направляющих штанг 9, являющихся одновременно и гасителями кручения при работе привода вращателя, три расточки 10 для встройки в них гидроцилиндров 11, штоки которых соединены с фрикционным диском 12. В редукторе 2 на подшипниках качения 13 установлено центральное зубчатое колесо 4 с встроенным внутри него стаканом 15 (или 35), сочлененным в верхней части с зубчатым колесом 14 шлицевым соединением 16.

Стакан 15 в средней части имеет венец 17 со шлицевой расточкой 18 для пропуска через нее ствола вертлюга 19, также имеющего шлицевую расточку. В нижней части стакан 15 имеет четыре проушины 20 с цилиндрическими расточками для встройки в них через оси 21 дугообразных скоб 22. В зависимости от диаметра применяемых труб при строительстве скважины к скобам 22 прикреплены сменные рычаги 23 с сухарями 24. Наружные поверхности скоб 22 сопряжены с плоскостями сегментов 25, встроенных в подвесной обойме 26.

Обойма 26 в верхней части имеет расточку для подшипников 27, посредством которых и стакана 28 обойма 26 подвешена к основанию 1. В нижней части обойма 26 имеет утолщение с конусной расточкой 29, наружная поверхность которой охватывается внутренней поверхностью конусной расточки фрикционного диска 12. С наружной стороны стакан 15 имеет две кольцевые расточки 30, а обойма 26 две расточки 31 с встроенными в них фиксаторами 32, посредством которых стакан 15 (или 35) удерживается на весу при смене рычагов 23 и сухарей 24. Сегменты 25 в нижнем торце имеют штыри 33, к которым прикреплены концы растяжных пружин 34, соединенных другими концами с осями 21 дугообразных скоб 22.

На фиг. 1 показана конструкция стакана 35, применяемого для навинчивания обсадных труб большого диаметра с колонной из обсадных труб. Вращатель труб буровых установок работает в следующих режимах:
1. Навинчивания бурильных свеч (труб) на буровую колонну или свинчивания их с колонны при спуско-подъемных операциях.

2. Навинчивания (свинчивания) ствола вертлюга на буровую колонну (с колонны).

3. Замены сменных деталей.

1. Режим навинчивания (свинчивания) свеч (труб) на колонну (с колонны).

Этот режим используется при наращивании (разборке) бурильной колонны свечами (однотрубками) при спуско-подъемных операциях. Процесс начинается с ввода свечи (трубы) во внутреннюю полость вращателя специальным устройством, например комплексом механизмов спуско-подъема (КМСП), широко применяемых на буровых установках отечественного производства. Свеча вводится во внутреннюю полость вращателя до касания резьбовой части нижнего конца свечи резьбовой части муфты колонны, находящейся в подвешенном состоянии на клиньях элеватора и предварительно замороженной от проворачивания зажимами трубодержателя. Посредством гидроцилиндров 11 фрикционный диск 12 поднимается вверх и затормаживает подвесную обойму 26 с размещенными в ней сегментами 25. Включается электропривод 5 вращателя труб и зубчатое колесо 14, а вместе с ним и стакан 15, получив вращение, увлекает дугообразные скобы 22 вместе с закрепленными в них рычагами 23. Наружные поверхности скоб 22, обкатываясь по плоскостям сегментов 25, поворачиваются вокруг центральных осей 21 и прижимают сухари 24 к муфте свечи и зажимают свечу. Происходит процесс наращивания кинетической энергии. По достижении определенного момента, заданного оператором на пульте управления бурильщика, автоматически или вручную оператором производится сброс рабочей жидкости в гидроцилиндрах 11, и фрикционный диск 12, опускаясь, освобождает подвесную обойму 26. Обойма приобретает вращение и вместе с сегментами 25 через скобы 22 и рычаги 23 с сухарями 24 передает вращение свече. Света (труба) навинчивается на колонну. По завершении навинчивания свечи на буровую колонну привод вращателя отключается, пружины 34 возвращают скобы 22 с рычагами 23 в нейтральное положение, обеспечивая значительный зазор между сухарями 24 рычагов 23 и боковой поверхностью свечи. Процесс свинчивания свечи с колонны аналогичен вышеописанному при реверсивном вращении зубчатого колеса 14.

2. Режим навинчивания (свинчивания) ствола вертлюга на буровую колонну (с колонны).

Этот режим применяется при передаче вращения бурильной колонне с подачей в нее промывочной жидкости, а также при выполнениях спуско-подъемных операциях по сборке или разборке колонн в осложненных условиях, связанных с прихватами колонн. Последовательность операций и их действия аналогичны вышеописанным с той лишь разницей, что вместо свечи в полость вращателя труб вводится ствол вертлюга с навернутым на него переводником, при этом дополнительно шлицевая расточка ствола вертлюга вводится в шлицевую расточку 18 стакана 15, размещенную в ее средней части. Такое соединение необходимо для гарантийного обеспечения постоянного крутящего момента буровой колонне при бурении скважины.

3. Режим замены сменных деталей.

При строительстве скважины используются трубы разных диаметров, для чего необходимо производить быструю замену рабочих органов вращателя труб - рычагов 23 и сухарей 24.

Операции по их замене выполняются в такой последовательности:
- отсоединяют пружины 34 от осей 21 скоб 22;
- вручную отводят фиксаторы 32 и стакан 15 (35) опускается вниз до упора фиксаторами 32 в верхнюю кольцевую расточку 30, при этом нижний конец стакана 15 (35) вместе со скобами 22, рычагами 23 и сухарями 24 выводится из корпуса фрикционного диска 12, обеспечивая к рычагам 23 и сухарям 24 удобный доступ;
- производится замена изношенных сухарей 24 или замена рычагов 23;
- стакан 15 (35) вводится внутрь вращателя труб до ввода головок фиксаторов 32 нижней кольцевой расточки 30;
- соединяют пружины 34 с осями 21 скоб 22.

Использование предлагаемой конструкции вращателя труб буровых установок позволяет по сравнению с существующими конструкциями значительно упростить конструкцию, расширить функциональные возможности, улучшить эксплуатационные качества, повысить надежность, уменьшить габариты и массу.

Назначение: изобретение может быть использовано на буровых установках, работающих как на море, так и на суше. Сущность изобретения: устройство содержит стакан, имеющий в верхней части шлицевую расточку, сочлененную зацеплением с зубчатым колесом в средней части для ввода в нее ствола вертлюга, а в нижней части проушины с шарнирно закрепленными в них дугообразными скобами, наружные поверхности которых сопряжены с плоскостями сегментов, размещенных в подвесной обойме, которая охватывает стакан. Стакан имеет с наружной стороны кольцевые расточки для ввода в них головок фиксаторов, встроенных в корпус подвесной обоймы, а дугообразные скобы имеют шарнирные заделки для встройки в них сменных рычагов с рабочими сухарями. 3 з.п.ф-лы. 4 ил.

1. ВРАЩАТЕЛЬ ТРУБ БУРОВЫХ УСТАНОВОК, содержащий корпус с размещенным в нем редуктором, двигатель, центральное зубчатое колесо, имеющее шлицы на внутренней поверхности, подшипниковые узлы и узел зажима труб с гидроцилиндрами зажима, отличающийся тем, что он снабжен стаканом, имеющим на внешней и внутренней поверхностях шлицы для взаимодействия с центральным зубчатым колесом и стволом вертлюга соответственно, подвесной обоймой, которая охватывает стакан и установлена в корпусе с возможностью вращения, и охватывающим обойму фрикционным диском, при этом стакан в нижней части выполнен с проушинами, в которых установлены на осях с возможностью поворота относительно последних дугообразные скобы, а на внутренней поверхности подвесной обоймы размещены сегменты, которые сопряжены с наружной поверхностью скоб, причем фрикционный диск скреплен с корпусом с возможностью осевого перемещения посредством гидроцилиндров зажима труб. 2. Вращатель по п.1, отличающийся тем, что дугообразные скобы имеют на концах цилиндрические расточки для размещения в них рычагов с рабочими органами зажима труб. 3. Вращатель по пп.1 и 2, отличающийся тем, что он снабжен размещенными в корпусе подвесной обоймы отводными фиксаторами, а стакан имеет на наружной поверхности кольцевые расточки для взаимодействия с отводными фиксаторами.