УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПРИВОД ПЛАШЕЧНОГО ПРЕВЕНТОРА Российский патент 1997 года по МПК E21B33/06 

Изобретение относится к бурению и эксплуатации скважин всех назначений. Преимущественная область использования в плашечных превенторах, применяемых на скважинах с вероятным выбросом флюидов, возможных вызвать аварийные и катастрофические ситуации на буровой площадке, когда требуется экстренная герметизация устья скважины, автоматическое стопорение плашек против произвольной разгерметизации с дальнейшим автоматическим поджимом плашек к колонне труб по мере их механического износа и изменения физических свойств резины под воздействием окружающей среды.

В качестве аналога принят известный стандартный превентор ОСТ 26I6-I622-82 (справочник. Открытые фонтаны и борьба с ними / Долганов Ю.Д. и др. М. Недра, I99I). Превентор обеспечивает расхаживание колонны труб, что сопровождается механическим износом резиновых вкладышей плашек. Привод плашек дистанционный гидравлический. Плашки перемещаются асинхронно, что чревато неизбежным изгибом колонны труб. Перемещение плашек производится при помощи поршня гидравлического цилиндра, шток которого связан с корпусом. Для фиксации плашек в закрытом положении принят ручной, индивидуальный для каждой плашки привод, чем исключена крайне необходимая синхронность их работы, сопровождающаяся изгибом колонны труб. Открыть плашки, закрытые ручным приводом можно только при помощи гидроуправления.

В качестве ближайшего аналога принято (авт. св. СССР N I2293I2, E 2I В 33/06, I986), совокупность признаков которого сходна с совокупностью существенных признаков изобретения, в том числе:
установленные в цилиндре шток с поршнем двухстороннего действия;
грузовые винт и гайка с углом подъема винтовой линии этой пары больше угла торможения несамотормозящиеся;
коническое тормозное гнездо внутреннего стопора и ответный стопорный конус;
фиксатор обгонной муфты;
шток с грузовым винтом расположены на одной оси, в результате чего их суммарная длина равна двум или более величинам хода поршня с плашкой (общепринятая величина которого, при муфтовом соединении колонны труб 0,75 ⊘ диаметра колонны). На такую величину выдвигается из цилиндра каждый грузовой винт, увеличивая габарит длины привода на I,5 o колонны.

В конструктивном решении согласно изобретению грузовой винт помещен в полость штока, соединенного с плашкой, благодаря чему длина привода уменьшится на величину I,75 o колонны.

Резьба грузовых винтов и гаек ближайшего аналога и изобретения - идентичны.

В конструктивном решении согласно изобретению имеется строго центрируемая коническая пара на грузовом винте и в грундбуксе. В прототипе так называемый "фиксатор" обгонной муфты представляет собой кольцевой поршень двухстороннего действия. Он может исполнять свои функции только при наличии давления в гидравлике, которое обеспечивается только в процессе герметизации скважины, после чего отключается, а так называемый "фиксатор" без постоянного поджима к наружной обойме утрачивает работоспособность и нуждается в дополнительном фиксаторе. При наличии несамотормозящейся грузовой резьбы у штока и внутренней обоймы "фиксатор" прототипа представляется мало работоспособным.

В настоящем изобретении коническая тормозная пара, при закрытом превенторе всегда замкнута действием осевой силы поджимной пружины, чем полностью исключается произвольная разгерметизация устья скважины.

На фиг. I показано устройство в разрезе; на фиг. 2 эксцентриковый стопорный механизм; на фиг. 3 храповой стопорный механизм.

Устройство включает: цилиндр I с каналами 2, 3, фланцами 4, 5. Крышка 6 снабжена монолитной с ней и обращенной в полость цилиндра грундбуксой 7 с выточкой 8 для уплотнения 9, высотой I0 для тарельчатой отжимной пружины II и коническим стопорным гнездом I2 внутреннего стопора с углом α₁ меньше угла трения, т. е. такого угла наклона образующей конуса к его оси, при котором принудительно посаженный в него ответный конус заклинивается. На внешней стороне крышки цилиндрическая выточка I3 для вращательной посадки наружного кольца муфты свободного хода наружного стопора, содержащей внутреннее шлицевое кольцо 14, ролики I5 и наружное кольцо I6 вращательно посаженное в выточку I3 крышки 6. Имеются подшипниковые приливы: I7 для вала I8 синхронизатора привода с ведущей шестерней I9 и цапфой 20 ручного или механического привода 2I для вала 22 синхронизатора стопоров с эксцентриками 23 и цапфами 24 на его концах. В центральное отверстие крышки 6 и одновременно во внутреннее шлицевое кольцо I4 муфты свободного хода посажен грузовой винт 25 с грузовой резьбой угол подъема α₂ расчетной винтовой линии которой больше угла трения. Винт 25 вращается и почти полностью лишен возможности осевых перемещений (они не превышают, например, 0,1-0,5 мм). Он снабжен стопорным конусом 26 ответным гнезду 12 крышки, декомпресионным каналом 27, шлицами 28, резьбой 29 и приводной цапфой 30 ручного привода. На свободный шлицевой конец винта посажена ведомая шестерня 31 и застопорена гайкой 32. В полость цилиндра и на грузовой винт 25 посажен поршень 33 с полым штоком 34, резьбой 35, диафрагмой 36, шлицами 37, уплотнением 38, поджимной тарельчатой пружиной 39, гайкой грузовой 40 (ответной винту 25) со шлицами 41 (ответными шлицами 37 поршня) подвижной в них на величину l 1, лишенной возможности вращаться в своем гнезде относительно поршня, и гайкой стопорной 42, подпирающей поджмную пружину 39 в сторону корпуса превентора (силой расчетной величины, необходимой для приложения к плашке обеспечивающей герметизацию устья скважины). Поршень 33 имеет возможность передвигаться в осевом направлении на величину l 2 от крышки 6 до диафрагмы 43 снабженной уплотнениями 44, 45. Произвольное вращение поршня вокруг оси цилиндра исключено жестким соединением его штока 34 с плашкой превентора, находящейся в направляющих его корпуса. После ввода диафрагмы 43 в цилиндр и крепления его к корпусу превентора, в цилиндре образуются две полости: 46 рабочего и 47 холостого хода. Один корпус превентора снаряжается двумя почти одинаковыми приводами плашек. Разница между ними заключается лишь в том, что на одном из них грузовые резьбы винта 25 и гайки 40 правые, на втором левые. Они расположены симметрично и соосно. Их ось перпендикулярна вертикальной оси корпус превентора и расположена в одной плоскости с ней.

В прилив 17 (фиг. 1) ниже оси и прилив привода, расположенный симметрично ему, посажен на противоположной стороне превентора, единый вал 18 синхронизатора привода с ведущей шестерней 19, образуя вал-шестерню, и цапфой 20 на обоих его концах. Ведущие вал-шестерни 19 взаимодействуют с ведомыми шестернями 31. В прилив 21 (фиг. 1) и противоположный ему прилив стопорого устройства, расположенного симметрично ему, посажен единый синхронный вал 22 с эксцентриками 23 и цапфами 24 на его концах. Вал 22 постоянно подпружинен, например, посаженный на него спиральной пружиной, работающей на закручивание, прижимая эксцентрики к наружному кольцу 16 обгонной муфты (на чертеже не показана) в направлении как показано стрелкой на фиг. 2.

В другом случае муфта свободного хода 14-16 может быть заменена храповым механизмом (фиг. 3), содержащим уже названный синхронный вал 22 с собачкой 48, взаимодействующей с храповой звездочкой 49 и подпружиненной к ней, как показано стрелкой. Между грузовым винтом 25 и штоком 34 может быть образована кольцевая полость 50. Габарит длины привода обозначен 3.

Применение двух (внутреннего и наружного) стопорных механизмов обусловлено применением привода в экстремальных условиях, где требуется высочайшая надежность. Их наличие заметного влияния на сложность и стоимость привод не оказывает, так как внутренний стопорный механизм представлен только одной простейшей деталью отжимной пружиной 11. Причем, стопорный механизм позиции 12, 26 широко используется, например, применяется на грузовых винтовых талях.

Привод работоспособен от гидравлического энергоносителя, от приложенного к его присоединительным приводным цапфам крутящегося момента, а в экстремальных условиях от обоих факторов одновременно.

В полость 46 цилиндра 1, через канал 2 подается энергоноситель, оказывает давление на торец поршня 33 и перемещает его вместе с посаженной в нем грузовой гайкой 40 (например, с левой резьбой большого шага, угол подъема винтовой линии которой превышает угол трения), поджимной пружиной 39 и стопорной гайкой 42 в сторону корпуса превентора (фиг. 1) ниже оси, герметизируя устье скважины. При этом, поршень 33 вместе с гайкой 40, находясь в жесткой стыковке своим штоком 34 с плашкой превентора (заключенной в прямолинейные направляющие его корпуса) лишен возможности вращения вокруг своей оси. В этих условиях грузовая гайка 40 передвигаясь вместе с поршнем 33 по грузовому винту 25, почти лишенному осевых движений (например, 0,1-0,5 мм) и взаимодействуя с его ответной резьбой создает вращательное движение винту 25 по часовой стрелке, глядя в торец воз. 30 (фиг. 1). При этом отжимная пружина 11 с заранее заневолненным предварительным усилием автоматически исключает контакт конуса 26 с ответным коническим гнездом 12 в крышке 6 (образуя зазор между ними, например 0,1-0,5 мм), исключая их взаимный износ. Одновременно с этим шлицевое кольцо 14 с роликами 15 муфты свободного хода 14-16 проворачивается шлицами 28 на холостом ходу, по часовой стрелке в наружном кольце 16, или вместе с ним. Причем, эксцентрик 23 подпружинен на заклинивание с наружным кольцом 16 муфты, исключая его вращение против часовой стрелки, чем в добавок к конусной паре 12 и 26 внутреннего стопора исключена возможность его произвольного вращения против часовой стрелки (фиг. 2) в крышке 6. Описанный стопорный механизм на базе муфты свободного хода полноценно заменим известным храповым механизмом (фиг. 3).

Для создания возможности автоматического поджима уже закрытых плашек к колонне труб по мере износа их футеровки (фиг. 1) поджимная пружина 39 сжимается, например, ручным вращением грузового винта 25 через цапфу 20 или 30 и грузовую гайку 40 силой, превышающей на 10-20% величину номинальной силы, необходимой для герметизации скважины, оказывается заряженной соответствующим запасом потенциальной энергии. Одновременно с процессом сжатия поджимной пружины 39 и вращением винта 25 сжимается отжимная пружина 11, возникает контакт и закливанием между конусами 26 и 12 внутреннего стопорного механизма с высоким тормозным моментом, исключающим произвольное вращение винта 25 в обратном направлении.

При вращательном и осевом движениях колонны в плашках закрытого превентора их футеровка быстро изнашивается истиранием, а герметизация скважины нарушается. Кроме этого, качество герметизации снижается и в тех случаях, когда футеровка плашек подвергается воздействие окружающей среды, в результате чего она изменяет свои физические свойства: набухает с увеличением объема и уменьшением твердости, высыхает с уменьшением объема и увеличением твердости, стареет.

В рассматриваемом варианте износ футеровки плашек не исключен. Однако, его наличие заметного влияния на качество герметизации нейтрализуется и компенсируется действием поджимной пружины 39, заряженной потенциальной энергией, взаимно поджимающей плашки к колонне по мере износа их футеровки. Сказанное поясняется тем, что в начальный период герметизации сила, сближающая плашки условно, равномерно распределяется по всей поверхности их прилегания к колонне и на участках их торцевого взаимодействия. По мере износа футеровки, прилегающей к колонне, удельное давление между этими элементами уменьшается, за счет чего оно на участках торцевого взаимодействия плашек увеличивается и сжимает их. Плашки сближаются, а зазор между колонной и футеровкой автоматически аннулируется. При этом, качество герметизации остается практически стабильным до износа футеровки в пределах допустимой величины.

Поворотом вала синхронизатора 22 внешнего стопора с эксцентриком 23 против стрелки (фиг. 2) наружное кольцо 16 муфты растормаживается. Вращением грузового винта против часовой стрелки, а вал шестерни 18, по часовой стрелке, пружина 39 разгружается, а отжимная пружина 11 с расчетной силовой характеристикой прерывает контакт между конусной парой 12 и 26 этого внутреннего стопора. В полость 47 цилиндра через канал 3 подается энергоноситель, передвигает поршень 33, гайку 40 и поджимную пружину 39 в исходное положение (фиг. 1). Превентор открыт.

При работе с механическим или ручным приложением крутящегося момента между полостями 46 и 47 цилиндра открывается перепускной клапан (относящийся к схеме трубопроводов, на чертеже не показан). Наружное кольцо 16 обгонной муфты наружного топора автоматически застопорено эксцентриком 23, от вращения против часовой стрелки. Вращением синхронного вала 18 с ведущей шестерней 19 против часовой стрелки (применительно к фиг. 1), сообщается вращение ведомой шестерне 31, грузовому винту 25 и шлицевому кольцу 14 обгонной муфты по часовой стрелке.

Грузовая гайка 40 перемещается по резьбе грузового винта 25 и через поджимную пружину 39 передает это движение и силу номинальной величины поршню 33 и плашке превентора, обеспечивая нормальную степень герметизации скважины.

Для автоматической поддержки степени герметизации устья скважины на неизменном уровне при наличии возможности износа футеровки плашек, дальнейшим вращением грузового винта 25 поджимная пружина 39 дополнительно сжимается, аккумулируя потенциальную энергию, а конусная пара внутреннего стопорного механизма позиции 12, 26 эксцентриковая пара поз. 16, 23 наружного стопорного механизма одновременно и автоматически образуют удвоенный стопорный момент, как описано выше.

Отведение плашек в исходное положение осуществляется примерно в такой же последовательности операций, как и при использовании гидравлики на разгерметизацию, но без ее применения.

Работа привода от гидравлического энергоносителя и механического приложения крутящегося момента одновременно применима в тех случаях, когда обнаруживается нарушение герметизации скважины, например, в результате прорыва флюида через тело футеровки плашек низкого качества. В таких условиях используются оба фактора при закрытом клапане, разделяющем полости цилиндра. Они обеспечивают возможность создания удвоенного удельного давления на футеровки, придавая ей повышенную текучесть, заполняя образовавшиеся неплотности, не исключая при этом структурное нарушение материала футеровки, но обеспечивая герметичность устья скважины.

Использование: в области бурения скважин всех назначений. Преимущественно используется в планшечных превенторах. Сущность изобретения: относительно корпуса превентора симметрично расположены цилиндры. В каждом цилиндре размещен поршень с полым штоком. Грузовой винт с несамотормозящейся резьбой пропущен через крышку цилиндра и взаимодействует с грузовой гайкой. Грузовой винт имеет шлицевое соединение с полым штоком. Грузовая гайка имеет наружные шлицы, ответные внутренним шлицам поршня. Имеется синхронизатор перемещения плашек в виде вала с двумя ведущими и ведомыми шерстернями и подпружиненного эксцентрикового или храпового стопора, взаимодействующего с наружным кольцом муфты свободного хода. Крышка выполнена с грундбуксой, имеющей конусное гнездо, ответное стопорному конусу, выполненному на грузовом винте. Между конусом и грундбуксой установлена отжимная пружина. В поршне установлена поджимная пружина и взаимодействует с грузовой гайкой. Устройство работает от гидравлического энергоносителя, от прикладываемого к его приводным цапфам крутящегося момента или от того и иного одновременно. Использование изобретения обеспечивает экстренную герметизацию устья скважины с автоматическим стопорением механизма против произвольной разгерметизации, автоматический поджим плашек к колонне, необходимость в котором возникает в результате износа их футеровки вращающейся или совершающей осевые движения колонны, уменьшает габарит длины. 3 ил.

Универсальный привод плашечного превентора, включающий симметрично расположенные относительно корпуса превентора цилиндры, в полости каждого из которых размещен поршень двустороннего действия с полым штоком, пропущенный через крышку цилиндра грузовой винт с несамотормозящейся резьбой, взаимодействующий с ответной резьбой грузовой гайки, муфту свободного хода с роликами между внутренним и наружным кольцами, стопорный конус и ответное конусное гнездо, отличающийся тем, что он снабжен поджимной и отжимной пружинами и синхронизатором перемещения плашек, выполненным в виде вала с двумя ведущими и с двумя ведомыми шестернями и подпружиненного эксцентрикового или храпового стопора, взаимодействующего с наружным кольцом муфты свободного хода, крышка цилиндра выполнена с грундбуксой, грузовой винт выполнен со шлицами, поршень двустороннего действия с полым штоком имеет внутренние шлицы и посажен на грузовой винт, грузовая гайка наружные шлицы, ответные внутренним шлицам поршня двустороннего действия и находящиеся с ними в зацеплении, внутреннее кольцо муфты свободного хода и ступица ведомой шестерни синхронизатора перемещения плашек посажены жестко на шлицы грузового винта, стопорный конус выполнен на грузовом винте, ответное конусное гнездо в грундбуксе, отжимная пружина установлена между стопорным конусом и грундбуксой, поджимная пружина в поршне двустороннего действия с полым штоком с возможностью взаимодействия с грузовой гайкой, а наружное кольцо муфты свободного хода посажено в выточку на внешней стороне крышки.