ВЫСОКОМОМЕНТНЫЙ ТРУБНЫЙ КЛЮЧ Российский патент 1994 года по МПК E21B19/16 

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при выполнении спускно-подъемных операций с бурильными трубами в процессе проводки нефтегазовых скважин.

Известен выпускаемый фирмой Везерфорд подвесной ключ, имеющий раскрывающийся на шарнирах корпус, внутри которого на роликах размещена составная роторная шестерня с зажимными башмаками, причем один из башмаков задней частью контактирует с копиром [1].

Однако область использования таких ключей ограничена величиной развиваемого момента (не более 35 кН.м). Кроме того, при переходе на новый диаметр труб возникает необходимость в замене зажимающих вкладышей. Недостатком также является ручная операция открытия и закрытия створок корпуса, снижающая безопасность работы ключа.

Наиболее близким из известных по технической сущности и достигаемому результату является высокомоментный трубный ключ, состоящий из передвижной несущей рамы, силового вращателя, включающего гидравлически раскрывающийся на шарнирах корпус с силовым замыканием, внутри которого помещены полноповоротное гидроприводное разъемное роторное колесо на роликовых или иных опорах, снабженное разъемным челюстедержателем с гидроприводными зажимающими башмаками, оборудованными плашками, устройство совмещения корпуса и роторного колеса с челюстедержателем, тормозное устройство челюстедержателя, а также из стопорного ключа с тремя радиальными гидроприводными зажимающими элементами, подъемной каретки [2].

Недостатки такой конструкции ключа в пониженной надежности из-за больших распорных сил в роторном колесе, в необходимости перевертывания силового вращателя при переходе со свинчивания на развинчивание труб, а также в повышенном износе резьбы труб вследствие возникновения большой поперечной силы при докреплении односторонним цилиндром.

Целью изобретения является расширение функционально-технологических возможностей, повышение надежности и удобства эксплуатации ключа путем уменьшения нагрузок в роторном колесе и перевертывания силового вращателя для перехода со свинчивания на развинчивание, а также разгрузка резьбы от поперечной силы при докреплении-раскреплении.

Поставленная цель достигается тем, что в ключе, состоящем из передвижной несущей рамы, силового вращателя, включающего гидравлически раскрывающийся на шарнирах корпус с силовым замыканием, внутри которого помещены полноповоротное гидроприводное разъемное роторное колесо на роликовых или иных опорах, снабженное разъемным челюстедержателем с гидроприводными зажимающими башмаками, оборудованными плашками, устройство совмещения разъемов корпуса и роторного колеса с челюстедержателем, тормозное устройство челюстедержателя, а также из стопорного ключа с тремя радиальными гидроприводными зажимающими элементами, подъемной каретки гидроцилиндров докрепления-раскрепления и подъема каретки, в соответствии с предлагаемым изобретением, корпус силового вращателя, роторное колесо и челюстедержатель выполнены из трех частей, части роторного колеса также соединены между собой шарнирно, а в каждой части корпуса установлены радиально направленные, например, встроенные друг в друга внутренний и внешний гидроцилиндры зажима, при этом внутренние гидроцилиндры взаимосвязаны через толкающие вилки с хвостовыми частями зажимных башмаков, а внешние гидроцилиндры соединены с ползунами, несущими на себе плашки и охватывающими роторное колесо с обоих его торцов, причем между нижними ползунами и челюстедержателем предусмотрены подпружиненные фрикционные пластины, зажимающие башмаки размещены в окнах челюстедержателя в контакте с выполненными на внутренней поверхности роторного колеса двухсторонними копирами с углом подъема от 15 до 36 град, предпочтительно от 20 до 30 град, а сам корпус силового вращателя снабжен двумя боковыми гидроцилиндрами докрепления-раскрепления и открытия-закрытия частей корпуса и роторного колеса.

Предложенное техническое решение отвечает требованиям критерия изобретения "существенные отличия".

Выполнение корпуса силового вращателя и роторного колеса с челюстедержателем из трех шарнирно скрепленных между собой частей с установкой в каждой части корпуса радиально направленных, например, встроенных друг в друга внутренних и внешних гидроцилиндров зажима с взаимодействием внутренних гидроцилиндров через толкающие вилки с хвостовыми частями зажимающих башмаков, а внешних гидроцилиндров - с ползунами, несущими на себе плашки и охватывающими роторное колесо с обоих торцов, а также размещение зажимающих башмаков в окнах челюстедержателя в контакте с выполненными на внутренней поверхности роторного колеса двухсторонними копирами с углом подъема от 15 до 36 град, предпочтительно от 20 до 30 град, обеспечивают повышение надежности путем уменьшения распорных нагрузок на роторное колесо, снижение неравномерности и величины удельных нагрузок на зажимающие башмаки и ползуны силового вращателя. Кроме того это позволяет значительно увеличить диапазон захвата диаметров труб одним комплектом зажимающих башмаков, исключив их смену при переходе на новый диаметр. Функционально-технологические возможности ключа расширяет также и снабжение его двумя боковыми гидроцилиндрами докрепления-раскрепления, которые наряду с исключением необходимости переворота силового вращателя при переходе со свинчивания к развинчиванию, выполняют еще функции по открытию-закытию боковых частей корпуса и роторного колеса. При этом они разгружают резьбу от поперечной силы, возникающей при докреплении-раскреплении, с помощью одного гидроцилиндра. Необходимость переворота вращателя при переходе со свинчивания к развинчиванию исключают так же и двухсторонние копиры роторного колеса.

Технических решений с предложенными признаками в их взаимодействии, взаимосвязи и взаимообусловленности не обнаружено.

На фиг. 1 и 2 изображен ключ, вид сбоку и сверху, соответственно; на фиг. 3 - роторное колесо с челюстедержателем и зажимающими башмаками в плане; на фиг. 4 - замыкающие цилиндры, башмаки и ползуны (сечение Б-Б на фиг. 2); на фиг. 5 - устройство совмещения разъемов роторного колеса и челюстедержателя; на фиг. 6 - стопорный ключ (вид по стрелке А на фиг. 1); на фиг. 7, 8 - схема действия сил на зажимающий башмак с плашками.

Высокомоментный трубный ключ состоит из передвижной несущей рамы 1, силового вращателя 2, стопорного ключа 3, подъемной каретки 4, гидроцилиндров докрепления-раскрепления 5, гидроцилиндра подъема каретки 6. Передвижная несущая рама 1 опирается на четыре колеса 7, два передних из которых через цепную передачу 8 приводятся двумя гидромоторами в движение. Силовой вращатель консольно установлен на столе подъемной каретки, которая закреплена в вертикальных направляющих подвижной несущей рамы. Внутри корпуса силового вращателя и в шарнирно закрепленных на нем боковых частях 9 расположено охватывающее трубную секцию роторное колесо 10, на котором размещены три части челюстедержателя 11, 12, 13 с выдвигающимися зажимающими башмаками 14, между выступающей задней частью которых и челюстедержателем помещены пружины отжима 15. Роторное колесо состоит из трех шарнирно скрепленных частей и покоится на роликах 16, оси которых служат стяжками верхних и нижних листов корпуса и его боковых частей. Составной челюстедержатель может перемещаться в направляющих на внутренних поверхностях частей роторного колеса. Челюстедержатель имеет окна прямоугольной формы, которые являются направляющими для зажимающих башмаков 14, на лицевых сторонах которых зафиксированы по две плашки 17, а хвостовыми частями башмаки охватывают роторное колесо. Передача момента роторному колесу осуществляется от двух гидромоторов 18 через зубчатые передачи. В контакт с хвостовыми частями башмаков при зажиме ими замка трубы 19 вступают вилки 20 штоков гидроцилиндров зажима 21. Зажим замка трубы при страгивании и затяжке резьбы производится с помощью гидроцилиндров 22 верхних 23 и нижних 24 ползунов, связанных с толкателями цилиндров 22. Ползуны помещены между направляющими, укрепленными на внутренних поверхностях верхних и нижних листов, корпуса и его боковых частей. В нижних ползунах размещены фрикционные пластины 25 с пружинами 26. Для сцепления боковых частей корпуса в их закрытом состоянии служит шкворень 27. Для совмещения разъемов челюстедержателя предусмотрен флажок 28, закрепленный на челюстедержателе осью 29 и снабженный фиксатором 30 на роторном колесе и выступом 31. Для фиксации флажка в другом крайнем положении в челюстедержателе имеется углубление 32.

Для совместного открытия створок корпуса и роторного колеса в верхних листах боковых частей корпуса укреплены пальцы 33, а на боковых частях роторного колеса предусмотрены буртики 34. Горизонтальность стола каретки настраивается регулировкой эксцентричности осей роликов 35.

Гидроцилиндры 36 зажима стопорного ключа (вид А) размещены также, как в силовом вращателе - под 120^о друг к другу. Их штоки закреплены в корпусе стопорного ключа.

Высокомоментный ключ работает следующим образом.

Вначале он надвигается на трубу, перемещаясь по рельсам с открытым силовым вращателем. Далее боковые части корпуса закрываются и скрепляются шкворнем 27. Одновременно происходит зажим нижней трубы гидроцилиндрами 36 стопорного ключа. Затем, выдвигаясь из цилиндров зажима 21, штоки своими вилками 20 толкают зажимающие башмаки 14 в окнах челюстедержателя и зажимают замок трубы с заданным усилием. Включаются гидромоторы 18, приводящие в движение роторное колесо, которое смещаясь относительно неподвижного челюстедержателя, набегает на затылочную часть зажимающих башмаков копирами и фиксирует их радиальное положение. Когда сопротивление вращению роторного колеса достигает максимального значения, вилки зажимающих цилиндров 21 отводятся. Роторное колесо с зажатой трубой совершает необходимое количество оборотов и останавливается.

При воздействии копира с углом подъема α на башмак усилием S (см.фиг. 6), являющимся суммой нормальной силы N и касательной к контактной поверхности силы трения F, на зубчатых поверхностях 37, 38 плашек возникают реакции. Минимальное радиальное усилие для работоспособности плашек такое, при котором прекращается контакт поверхности 37. В этом случае равнодействующие реакций R₁ и R₂ направлены перпендикулярно к этим поверхностям. Учитывая незначительный взаимный наклон двух плашек можно принять угол β наклона их граней к оси перпендикулярной оси симметрии башмака одним и тем же. Из условия равновесия башмака
S cos (α_max + ϕ) = (R₁ + R₂) cos β
S sin (α_max + ϕ) = (R₁ + R₂) sin β откуда
α_max = β - ϕ Здесь угол ϕ определяется величиной силы трения F. Выбором α необходимо создать запас прижатия плашек, так что α<α_max. При этом поверхности 38 нагружаются, а радиальное усилие Р возрастает. Если принять, что коэффициент трения f = 0,15, β= =45^о, то α_max = 36^о. Учитывая возможные колебания коэффициента трения в большую или меньшую сторону вследствие попадания абразива или раствора, следует создать гарантированный запас усилия Р и принять верхний предел α = 30^о. Чрезмерное снижение α приводит к значительному увеличению усилия Р, поэтому предпочтительно α_min = 20^о.

После осуществления предварительного свинчивания выдвигаются толкатели цилиндров 22. Плашки, закрепленные на концах ползунов, внедряются в тело трубы (Причем в дополнительных по отношению к зажимающим башмакам точках). Возникающие реактивные усилия воспринимаются замкнутым шкворнем корпусом. В таком состоянии весь силовой вращатель вместе с трубой доворачивается цилиндрами докрепления-раскрепления. При свинчивании и развинчивании каретка вместе с вращателем перемещается в вертикальных направляющих с помощью цилиндра 6.

После докрепления ползуны отводятся от трубы, корпус возвращается в исходное положение гидроцилиндрами 5, а роторному колесу дается обратное вращение. Челюстедержатель, притормаживаемый фрикционными пластинами 25, удерживается на месте до подвода выступа 31 к флажку 28, а башмаки 14, отжимаемые от центра пружинами 15, фиксируются в среднем положении между копирами; при этом разъемы челюстедержателя и роторного колеса совмещаются. Дальнейшее совмещение с разъемом корпуса вращателя производится визуально. На фиг. 5 положение флажка 28 соответствует совмещенному состоянию роторной шестерни и челюстедержателя после операции свинчивания. После совмещения вынимается скрепляющий шкворень 27, части корпуса с помощью гидроцилиндров 5 разводятся, и ключ смещается в исходное положение.

При разворачивании после замыкания корпуса первыми вступают в действие ползуны, затем башмаки. Флажок совмещения переводится в положение, показанное на фиг. 5 штрихпунктиром. В остальном порядок работы аналогичен операции свинчивания.

Экономический эффект от использования изобретения слагается из исключения затрат времени на переналадку, повышения работоспособности и долговечности конструкции и труб за счет ликвидации чрезмерных сил, воздействующих на роторное колесо и резьбовое соединение, а также экономии валюты. Так стоимость модели Marco IR2000 Iron Roughneck (ЕПВ N 58672, кл. В 25 В 17/00), согласно данным на июль 1988 (Mational ilwell) в зависимости от комплектности доходит до 160 тыс. долларов США, что и равно экономии валюты в данном случае.

Изобретение относится к буровой технике и может быть использовано при выполнении спуско-подъемных операций с бурильными трубами в процессе проводки нефтегазовых скважин. Ключ состоит из несущей рамы 1, силового вращателя 2, стопорного ключа 3, подъемной каретки 4, гидроцилиндров докрепления-раскрепления 5, гидроцилиндра подъема каретки 6, колес 7, цепной передачи 8 привода колес. В силовой вращатель входят боковые части, роторное колесо, части челюстедержателя, зажимные башмаки, пружины отжима башмаков, опорные ролики, плашки, гидромоторы, толкающие вилки, гидроцилиндры зажима, гидроцилиндры зажима, ползуны, фрикционные пластины, пружины, сцепляющий шкворень, флажок совмещения с осью, фиксатор, выступ, гнездо для фиксатора, пальцы открытия боковых частей корпус буртика. Каретка оборудована регулируемыми роликами 35. Стопорный ключ имеет гидроцилиндры зажима. Зажим производится за замкову часть труб 19. С целью разгрузки роторной шестерни вращателя от распирающих усилий предусмотрено предварительное внедрение плашек зажимающих башмаков в тело трубы с помощью гидроцилиндров зажима, расположенных в корпусе ключа с последующей фиксацией зажимающих башмаков с помощью крутых / от 15 до 36 град/ копиров в роторном колесе. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. ВЫСОКОМОМЕНТНЫЙ ТРУБНЫЙ КЛЮЧ, включающий передвижную несущую раму с направляющими, силовой вращатель в виде гидравлически раскрывающегося на шарнирах корпуса с силовым замыканием, полноповоротное гидроприводное роторное колесо, установленное на подшипниковых опорах в корпусе, разъемный челюстедержатель с гидроприводными зажимающими башмаками, оборудованными плашками, узел совмещения разъемов корпуса и роторного колеса с челюстедержателем, тормозной узел челюстедержателя, стопорный ключ с тремя радиальными гидроприводными зажимающими элементами, подъемную каретку, связанную с силовым вращателем и установленную на направляющих рамы с возможностью вертикального перемещения под действием гидроцилиндра подъема, и гидроцилиндры докрепления-раскрепления трубы, отличающийся тем, что, с целью расширения функционально-технологических возможностей, повышения надежности и удобства в эксплуатации ключа путем уменьшения нагрузок в роторном колесе, осуществления перехода со свинчивания на развинчивание переворотом силового вращателя и разгрузки резьбы от поперечной силы при докреплении-раскреплении, он снабжен верхними и нижними ползунами с планками, установленными в челюстедержателях соответственно выше и ниже зажимающих башмаков, и фрикционными пластинами, в челюстедержателях выполнены окна, на внутренней поверхности роторного колеса выполнены двусторонние копиры с углами подъема 15 - 36^o, зажимающие башмаки размещены в окнах челюстедержателей с возможностью контактирования с двусторонними копирами, корпус силового вращателя, роторное колесо и челюстедержатель выполнены из трех частей, при этом части роторного колеса соединены между собой шарнирно, гидропривод зажимающих башмаков выполнен в виде установленных в каждой части корпуса радиально направленных встроенных друг в друга внутреннего и внешнего гидроцилиндров зажима, причем внутренние гидроцилиндры оснащены вилками для охвата роторного колеса и взаимодействия с хвостовыми частями зажимающих башмаков, а внешние гидроцилиндры соединены с ползунами, фрикционные пластины установлены между нижними ползунами и челюстедержателем и подпружиненны относительно последнего, гидроцилиндры докрепления-раскрепления трубы установлены на каретке с возможностью взаимодействия с частями корпуса и роторного колеса для их открытия-закрытия. 2. Ключ по п.1, отличающийся тем, что углы подъема двусторонних копиров преимущественно составляют 20 - 30^o.