ТРУБОЗАЖИМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕЗЬБОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРУБЧАТЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Российский патент 1997 года по МПК E21B19/16 

Изобретение относится к нефтедобывающей отрасли, а именно к технологическому оборудованию буровых установок, оснащенных ключами свинчивания-развинчивания резьбовых соединений бурильных и обсадных труб.

Известна конструкция для свинчивания-развинчивания бурильных и обсадных труб в процессе спуско-подъемных операций при бурении нефтяных и газовых скважин, содержащая верхнее и нижнее взаимосцентрированные трубозажимные устройства. Устройство выбрано за прототип. Верхнее устройство размещено в корпусе вращателя, а нижнее встроено в стационарный корпус (стопорный ключ) и служит для удержания бурильной колонны от проворота по время операций свинчивания-развинчивания. Собственно, трубозажимные устройства вращателя и стопорного ключа аналогичны по конструкции зажимного механизма и состоят из верхнего и нижнего дисков, между которыми размещены поворотные челюстедержатели, взаимодействующие с зубчатыми колесами, установленные в корпусах и имеющие возможность поворачиваться между нейтральным положением, при котором они зажимают трубу. Челюсти снабжены зажимными сухарями и роликами-катками, контактирующие с копирными поверхностями зубчатых колес. Особенность конструкции состоит в том, что на каждый типоразмер труб требуется собственная копирная поверхность и, как следствие, собственный трубозажимный механизм.

Недостатками указанного устройства являются:
сложность конструкции, обусловленная многозвенной системой рычагов челюстедержателей и копиров, требующих точности изготовления сложных профилей и идеальных условий эксплуатации;
низкий коэффициент надежности и эффективности зажима труб из-за наличия большого числа шарнирных соединений и поверхностей трения;
необходимость оснащения нерационально мощным приводом для зажима труб, связанного с преодолением потерь на трение в шарнирах и с кинематикой распределения усилий;
повышенная трудоемкость выполнения работ по замене деталей и узлов при переходе с одного типоразмера труб на другой, применяемых в процессе бурения скважин.

Предлагаемое трубозажимное устройство свободно от указанных недостатков и направлено на решение задачи по созданию быстросъемного взаимозаменяемого зажимного механизма бурового ключа, соответствующего типоразмерам свинчиваемых труб с одновременным обеспечением надежности узла при увеличении нагрузки на замковое соединение труб.

Это достигается путем упрощения кинематики силового механизма зажима труб, сокращением числа элементов, участвующих в силовых контактах с сопрягаемыми деталями, и модульным исполнением группы челюстедержателей для применяемых типоразмеров труб с унификацией их установочных размеров и посадочных мест.

Для этого трубозажимное устройство для резьбового соединения трубчатых элементов снабжено фрикционным тормозом, а челюстедержатели выполнены в виде быстросъемных сменных кассет, встроенных, в свою очередь, во внутренние расточки приводных роторных шестерен. Причем каждый челюстедержатель содержит верхний и нижний диски с размещенными между ними на шарнирах шестью зубчатыми секторами, сопряженными, в свою очередь, с одной стороны с зубьями внутреннего венца роторной шестерни, а с другой стороны имеющими приставные сменные рычаги с сухарями из твердого сплава, при этом диски челюстедержателя стопорного ключа жестко скреплены с корпусом стопорного ключа и имеют ограниченную возможность поворота вокруг собственной оси, а диски челюстедержателя вращателя сопряжены с фрикционными дисками фрикционного тормоза и имеют возможность вращения вокруг собственной оси при достижении приводом вращения крутящего момента, превышающего сумму сил сопротивления от прижатия фрикционных дисков фрикционного тормоза к дискам челюстедержателя вращателя.

Кроме того, приставные сменные рычаги с сухарями из твердого сплава выполнены с двумя плечами и размещены между дисками челюстедержателя двумя ярусами поочередно чередуясь по высоте.

В свою очередь, фрикционный тормоз содержит две группы фрикционных дисков, одна группа из которых состоит из дисков, имеющих шлицевые расточки с наружной стороны, посредством которых они сопряжены с втулкой, жестко скрепленной с корпусом, а другая группа дисков имеет шлицевые расточки с внутренней стороны и сопряжена с нижним диском челюстедержателя, при этом фрикционный тормоз и челюстедержатель вращателя имеют возможность осевого перемещения от гидроцилиндров, встроенных в челюстедержателе стопорного ключа; а также фрикционные диски фрикционного тормоза, охватывающие нижний диск челюстедержателя вращателя, соединены между собой подпружиненными стяжками, посредством которых обеспечивается сопротивление повороту дисков челюстедержателя в момент схождения приставных сменных рычагов с сухарями к боковым поверхностям трубчатых элементов.

Технический результат при осуществлении изобретения выражается в быстросъемности и взаимозаменяемости рычажной системы челюстедержателя модульного исполнения при проведении операции свинчивания-развинчивания разных по диаметру скважинных труб в сочетании с выполнением общих для всех типоразмеров труб установочных размеров и посадочных мест, а также с одновременным повышением надежности зажима труб при увеличении нагрузки на замковые соединения труб, обеспечивающие высокие крутящие моменты при незначительном возрастании контактных напряжений в сухарях.

Предлагаемая конструкция трубозажимного устройства обеспечивает:
простоту конструкции устройства, его обслуживания, сборку и разборку узла за счет использования модульных элементов;
высокую взаимозаменяемость рабочих органов верхнего и нижнего челюстедержателей;
высокую технологичность и сравнительно низкую себестоимость.

На чертеже представлен общий вид трубозажимного устройства в разрезе.

Трубозажимное устройство содержит нижний 1 трубозажимный механизм (челюстедержатель), верхний 2 трубозажимный механизм (челюстедержатель) и фрикционный тормоз 3. Нижний 1 и верхний 2 челюстедержатель идентичны по конструкции в части зажима труб и имеют верхний диск 4 и нижний диск 5, между которыми равномерно размещены на шарнирных осях 6 шесть зубчатых секторов 7, зубья которых сопряжены зацеплением с внутренними зубьями роторных шестерен 8 и 9, которые, в свою очередь, на подшипниках качания 10 и 11 установлены соответственно в корпусах 12 и 13. Зубчатые сектора 7 с внутренней стороны, т.е. со стороны трубы, имеют плоскости 14, к которым крепятся двуплечевые приставные рычаги 15, с сухарями из твердого сплава 16.

В нижнем челюстедержателе 1 на равных расстояниях между зубчатыми секторами 7 встроены шесть гидроцилиндров 17, штоки 18 которых проходя через отверстия 19 верхнего диска 4 нижнего челюстедержателя 1 упираются в дно фрикционного тормоза 3. Фрикционный тормоз 3 состоит из фрикционных дисков 20, дисков 21, пружин 22 и стяжек 23. Диски 20 выполнены с наружной шлицевой расточной 24, посредством которых они сочленены зацеплением со втулкой 25, в свою очередь жестко скрепленной с корпусом 12.

Диск 21 выполнен с внутренней шлицевой расточкой 26 и сопряжен зацеплением с нижним диском 5 верхнего челюстедержателя 2.

Устройство работает следующим образом.

Приводом (на чертеже не показан) производится одновременный поворот роторной шестерни 8 и вращение роторной шестерни 9 с противоположными направлениями.

Роторная шестерня 8 поворачивается вокруг собственной оси, происходит поворот зубчатых секторов 7 относительно шарнирных осей 6 происходит схождение рычагов 15 с сухарями 16 к нижней трубе 28 и замыкаются на ней, зажимая трубу 28.

Одновременно роторная шестерня 9, получая вращение от привода, приводит в движение зубчатые сектора 7 верхнего челюстедержателя 2 и так же, как в нижнем челюстедержателе 1, производится схождение рычагов 15 с сухарями 16 к верхней трубе 29, при этом пружины 22 фрикционного тормоза 3 удерживают от поворота диски 5 и 4 верхнего челюстедержателя до момента, создаваемого усилиями пружин 22 при охвате фрикционных дисков 20, дисков 21.

С увеличением крутящего момента, создаваемого приводом, верхний челюстедержатель 2, преодолевая сопротивление в дисках 20 и 21 от пружин 22, вместе с дисками 21 приобретает вращение с одновременным зажатием сухарями 16 верхней трубы 29.

Использование: изобретение относится к области машиностроения, а именно к буровым ключам, и может быть использовано в буровой технике для соединения бурильных и обсадных труб. Сущность изобретения: устройство содержит нижний челюстедержатель и верхний челюстедержатель, каждый из которых имеет верхний диск и нижний диск, между которыми размещены на шарнирах зубчатые сектора. Зубья секторов сопряжены зацеплением с зубьями роторных шестерен, установленных, в свою очередь, на подшипниках качения в корпусах. Зубчатые сектора с внутренней стороны имеют плоскости, к которым прикреплены приставные двуплечие рычаги с сухарями. В нижний челюстедержатель встроены гидроцилиндры, штоки которых упираются в дно тормоза. Тормоз состоит из фрикционных дисков, пружин и стяжек. Фрикционные диски имеют с наружной стороны шлицевую расточку, сопряжены зацеплением с неподвижной втулкой. Другая группа фрикционных дисков с внутренней стороны сопряжена с нижним диском посредством тех же шлицевых расточек. Под действием привода роторные шестерни вращаются в разном направлении. При увеличении крутящего момента верхний челюстедержатель, преодолевая сопротивление в дисках, приобретает вращение с одновременным зажатием верхнего трубчатого элемента. Использование изобретения: позволяет выполнить захватные устройства в виде быстросъемных сменных кассет с сохранением общих для всех типоразмеров труб установочных и посадочных мест, а также упрощает конструкцию, расширяет функциональные возможности, улучшает эксплуатационные качества и повышает надежность. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Трубозажимное устройство для резьбового соединения трубчатых элементов, преимущественно бурильных и обсадных колонн, включающее взаимосцентрированные и размещенные в корпусах вращатель труб и стопорный ключ, содержащие челюстедержатели и приводные роторные шестерни, и привод вращения, отличающееся тем, что оно снабжено фрикционным тормозом, челюстедержатели выполнены в виде быстросъемных сменных кассет, встроенных во внутренние расточки приводных роторных шестерен, каждый челюстедержатель содержит верхний и нижний диски с размещенным между ними на шарнирах шестью зубчатыми секторами, сопряженными, в свою очередь, с одной стороны с зубьями внутреннего венца роторной шестерни, а с другой стороны имеющими приставные сменные рычаги с сухарями из твердого сплава, при этом диски челюстедержателя стопорного ключа жестко скреплены с корпусом стопорного ключа и имеют ограниченную возможность поворота вокруг собственной оси, а диски челюстедержателя вращателя сопряжены с фрикционными дисками фрикционного тормоза и имеют возможность вращения вокруг собственной оси по достижении приводом вращателя крутящего момента, превышающего сумму сил сопротивления от прижатия фрикционных дисков фрикционного тормоза к дискам челюстедержателя вращателя. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приставные сменные рычаги с сухарями из твердого сплава выполнены с двумя плечами и размещены между дисками челюстедержателя двумя ярусами, поочередно чередуясь по высоте. 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что фрикционный тормоз содержит две группы фрикционных дисков, одна группа из которых состоит из дисков, имеющих шлицевые расточки с наружной стороны, посредством которых они сопряжены с втулкой, жестко скрепленной с корпусом, а другая группа дисков имеет шлицевые расточки с внутренней стороны и сопряжена с нижним диском челюстедержателя, при этом фрикционный тормоз и челюстедержатель вращателя имеют возможность осевого перемещения от гидроцилиндров, встроенных в челюстедержателе стопорного ключа. 4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что фрикционные диски фрикционного тормоза, охватывающие нижний диск челюстедержателя вращателя, соединены между собой подпружиненными стяжками для обеспечения сопротивления повороту дисков челюстедержателя в момент схождения приставных сменных рычагов с сухарями к боковым поверхностям трубчатых элементов.