АВТОМАТИЧЕСКИЙ СТАЦИОНАРНЫЙ БУРОВОЙ КЛЮЧ Российский патент 1999 года по МПК E21B19/16 

Настоящее предлагаемое изобретение относится к области бурения скважин и, в частности, представляет собой автоматический стационарный буровой ключ, который может быть использован для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурильных и обсадных труб.

Известен автоматический стационарный буровой ключ, включающий два расположенных в одном блоке трубозажимных устройств, редуктор, двигатель и маховик на ведущем валу редуктора (cм. а.с. СССР N 115325, МКИ E 21 B 19/16, 1956 г. ). Ключ снабжен устройством, обеспечивающим скольжение верхней захватной части вокруг трубы во время разгона и последующего зажима бурового замка "на ходу" за счет храпового устройства. Благодаря этому обеспечивается кратковременное приложение крутящего момента, значительно превышающего момент от двигателя, за счет использования кинетической энергии, накопленной маховиком и всеми вращающимися массами ключа. Как показала практика, кратность превышения момента составляет от 20 до 30.

Указанная конструкция ключа имеет ряд недостатков, основными из которых являются следующие:
1) значительные динамические нагрузки, передаваемые на элементы ключа и резьбового соединения;
2) невозможность дозирования и измерение крутящего момента.

Наиболее близким к заявляемому объему является автоматический ключ для свинчивания обсадных труб по а.с. СССР 203590, МКИ E 21 B 19/16, 1967 г. Ключ содержит корпус, двигатель привода, верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, пульт управления и моментомер. Двигатель привода установлен на плавающей шайбе, встроенной в жестко укрепленную на корпусе ключа обойму, и через рычаг сопряжен с моментомером. Моментомер выполнен в виде подпружиненного измерительного стакана и концентрично размещен в цилиндре, жестко укрепленном на корпусе ключа. Указанный ключ может быть принят за прототип заявляемого технического решения. Это техническое решение также имеет ряд существенных недостатков, из которых главными являются следующие:
1) моментомер в приведенном техническом решении измеряет только момент, создаваемый двигателем, умноженный на постоянный коэффициент (передаточное отношение), и не отражает его изменение при наличии в составе редуктора коробки передач;
2) показания моментомера не отражают также влияния маховика или других аккумуляторов энергии. Следует отметить, что маховик целесообразно применять в сочетании с коробкой передач при электро- или пневмоприводе вращателя для снижения установленной мощности и, следовательно, для существенного снижения массы и мощности приводного оборудования, например, электродвигателя или компрессора. В этом случае превышение момента от маховика над моментом, создаваемым двигателем, составляет 40... 60% и не требуется включения трубозажимного устройства "на ходу", как это имеет место в техническом решении по авт.св. СССР N 115325;
3) ключ не имеет автоматического устройства, обеспечивающего отключение привода вращателя при достижении заданной величины момента.

Таким образом, ключ известной конструкции не может обеспечить качественного свинчивания-развинчивания резьбовых соединения из-за отсутствия достоверной информации о величине крутящего момента и возможности точной его регулировки. В связи с изложенным основной технической задачей, на решение которой направлено настоящее предлагаемое изобретение, является создание такого автоматического стационарного бурового ключа, конструкция которого обеспечивала бы качественное свинчивание-развинчивание резьбовых соединений скважинных труб (например, бурильных или обсадных) при обеспечении достоверной информации о величине крутящего момента и возможности точной регулировки последнего.

Для решения поставленной задачи автоматический стационарный буровой ключ содержит корпус, смонтированные в нем верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, приводной двигатель и моментомер. Характерной особенностью ключа является то, что он снабжен смонтированной в отдельном корпусе коробкой передач с быстроходным и тихоходным валами, размещенной над редуктором и оснащенной маховиком, смонтированным на ее быстроходном валу, причем корпус коробки передач выполнен плавающим относительно оси тихоходного вала, соединяющего коробу передач с редуктором. Моментомер ключа включает узел настройки величины крутящего момента, снабженный гидравлической полостью, реверсивный гидравлический датчик и связанный с указанной полостью гидротолкатель. Реверсивный гидравлический датчик приспособлен к взаимодействию с двумя упорами на корпусе редуктора. Гидротолкатель сообщен с гидравлической полостью указанного гидравлического датчика и связан с выключателем приводного двигателя. Указанный выключатель выполнен в виде подвижного элемента, размещенного между пружинным узлом настройки величины крутящего момента и гидротолкателем.

Возможность осуществления настоящего предлагаемого изобретения доказывается многолетним использованием в зарубежной и отечественной практике бурения глубоких скважин однокорпусных автоматических стационарных буровых ключей. Технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого ключа, могут быть реализованы с помощью известных средств. Отличительные признаки, отраженные в формуле изобретения, необходимы и достаточны для его осуществления, т. к. обеспечивают решение поставленной задачи - создание автоматического стационарного бурового ключа, конструкция которого обеспечивала бы качественное свинчивание-развинчивание трубных резьбовых соединений при обеспечении достоверной информации о величине крутящего момента и возможности точной его регулировки.

В дальнейшем настоящее предлагаемое изобретение поясняется примером его выполнения, схематически изображенным на прилагаемых чертежах, на которых:
фиг. 1 - общий вид автоматического стационарного бурового ключа в соответствии с настоящим предлагаемым изобретением;
фиг. 2 - продольный разрез бурового ключа, показанного на фиг. 1;
фиг. 3 - моментомер бурового ключа, показанного на фиг. 1 (в разрезе), в увеличенном масштабе;
фиг. 4 - гидравлический вариант выполнения выключателя приводного двигателя бурового ключа, показанного на фиг. 1 (при использовании в качестве приводного двигателя ключа гидравлического двигателя).

Автоматический стационарный буровой ключ в соответствии с настоящим предлагаемым изобретением включает корпус 1 (фиг.1), установленный на опорной колонне 2 с направляющими 3, в которых может перемещаться корпус 1, коробку передач 4, приводной двигатель 5, моментомер 6 и дистанционный пульт управления 7.

В корпусе 1 (фиг. 2) смонтировано верхнее трубозажимное устройство 8, которое может приводиться во вращение вертикальными пальцами 9, которые закреплены через промежуточный диск 10 на разрезной шестерне 11 редуктора 12. Разрезная шестерня 11 может приводиться во вращение через два сателлита 13, шестерни 14, 15 и 16 от быстроходного вала 17 редуктора 12. В нижней части корпуса 1 размещено нижнее трубозажимное устройство 18, которое может приводиться для зажима и освобождения неподвижной трубы пневмоцилиндром (на фиг. не показан). Конструкция трубозажимных устройств известна. Каждое трубозажимное устройство включает пару челюстей 19, снабженных сухарями 20 и установленных в карманах верхнего 21 и нижнего 22 челюстедержателя. Челюсти 19 снабжены роликами (на фиг. не показаны), взаимодействующими со вкладышами (не показаны), размещенными в корпусе ключа 1 и корпусе 23 верхнего трубозажимного устройства 8. На верхнем трубозажимном устройстве смонтировано фрикционное тормозное устройство 24.

Быстроходный вал 17 редуктора 12 соединен через шлицевую втулку 25 с тихоходным валом 26 коробки передач 4 (фиг. 1, 2). Корпус 27 коробки передач 4 смонтирован на корпусе редуктора 12 посредством двух подшипников 28, благодаря чему коробка передач 4 имеет возможность "плавать" относительно общей оси тихоходного вала 26 коробки передач 4 и быстроходного вала 17 редуктора 12. На быстроходном валу 29 коробки передач 4 смонтирован маховик 30. При этом тяжелые диски 31 маховика 30 связаны с основанием 32 маховика, скрепленным с быстроходным валом 29 фрикционно. Последний связан с тихоходным валом 26 посредством шестерни 33 и блока шестерен 34, жестко связанного с неподвижной в осевом направлении полумуфтой 35, а с промежуточным валом - шестерней 36 - через шестерню 37. Промежуточный вал - шестерня 36 связаны с шестерней 38, в которую встроена вторая неподвижная полумуфта 39. Подвижная полумуфта 40 может соединять быстроходный вал 29 с тихоходным валом 26 либо напрямую через полумуфту 35, либо через промежуточный вал - шестерню 36. На корпусе 27 коробки передач 4 смонтирован моментомер 41 (фиг. 2, 3). В состав моментомера 41 входит реверсивный гидравлический датчик 42 (фиг. 2, 3). Гидравлическая полость 43 (фиг. 3) датчика 42 через рукав высокого давления 44 связана с показывающим прибором 45 и гидротолкателем 46. Гидравлическая полость 43 при ее заполнении может быть сообщена с компенсационным цилиндром 47 через обратный клапан 48 при открытом игольчатом вентиле 49. Гидротолкатель 46 контактирует с выключателем 50 приводного двигателя 5. Выключатель 50 может быть выполнен в виде пневматического тарельчатого клапана 51, если приводным двигателем является пневматический двигатель, или в виде золотника 52 (фиг. 4), если приводным двигателем является гидродвигатель. С противоположной стороны выключатель 50 (фиг. 3) контактирует с толкателем 53 пружинного узла настройки 54, который снабжен пружиной 55, резьбовым лимбом 56 и шкалой (не показана) на корпусе 57. Реверсивный гидравлический датчик 42 выполнен в виде гидроцилиндра 58, включающего поршень 59 и шток 60. Корпус гидроцилиндра 58 и шток 60 размещены между промежуточными толкателями 61 и 62, которые контактируют с двумя упорами 63 и 64, укрепленными на корпусе редуктора 12.

Полость выключателя приводного двигателя (позиция 65 на фиг. 3 и позиция 66 на фиг. 4) сообщается с рабочей полостью приводного двигателя, соответствующей направлению вращения в сторону свинчивания.

Работа автоматического стационарного бурового ключа осуществляется следующим образом.

Для свинчивания резьбового трубного соединения вначале осуществляется настройка пружинного узла 54 (фиг. 3) на заданный крутящий момент с использованием лимба 56 и шкалы на корпусе 57. Затем корпус 1 ключа надвигается на резьбовой стык свинчиваемых труб прорезью в трубозажимных устройствах 8 и 18 (стр.2). Поворотом нижнего челюстедержателя 22 зажимается неподвижная (нижняя) труба. Затем включается вверх полумуфта 40 коробки передач 4, чем обеспечивается прямое соединение быстроходного 29 и тихоходного 26 валов коробки передач 4. Затем включается приводной двигатель 5 и благодаря затормаживанию верхнего челюстедержателя 21 осуществляется захват и последующее вращение подвижной (верхней) трубы на быстрой скорости.

При этом возникающий на корпусе "плавающей" коробки передач реактивный момент воспринимается датчиком 42 (фиг. 2, 3) либо при контакте корпуса гидроцилиндра 58 через промежуточный толкатель 61 с упором 63 на корпусе редуктора 12, либо при контакте штока 60 через промежуточный толкатель 62 с упором 64 на корпусе редуктора 12. При остановке вращения вследствие возросшего момента сопротивления резьбы оператор осуществляет переключение подвижной полумуфты 40 вниз для соединения ее с полумуфтой 39 (фиг. 2) и на медленной скорости происходит докрепление резьбы. При этом давление в полости 43 (фиг. 3) повышается. Величину момента оператор может наблюдать по показаниям прибора 45 (фиг. 2), представляющим собой манометр со шкалой, разградуированной в величинах момента. Когда усилие, развиваемое гидротолкателем 46 (фиг. 3) под действием возрастающего давления в полости 43, превысит настроечное усилие пружины узла настройки 54 клапана 51 выключателя 50 (фиг. 3) или золотник 52 (фиг. 4) сместятся вправо, сжимая пружину и сообщая рабочую полость приводного двигателя, соответствующую напряжению вращения в сторону свинчивания, с атмосферой (в случае использования пневматического двигателя 5, как на фиг. 2) или полость свинчивания гидродвигателя (в варианте с гидравлическим двигателем как на фиг. 4) с линией слива (не показана). Приводной двигатель затем останавливается и процесс свинчивания прекращается при достижении заданного момента.

Процесс развинчивания производится в обратном порядке. Сначала включается вращение на медленной скорости (подвижная полумуфта 40 (фиг. 2) включена вниз). При этом работает противоположная (сравнительно с процессом свинчивания) сторона гидравлического датчика 42. Прибор 45 показывает сначала нарастание момента. При снятии натяга резьбы момент уменьшается, что является сигналом для оператора. Последний переключает коробку передач 4 на быструю скорость (полумуфта 40 включается вверх) и т.о. осуществляет отвинчивание резьбы. В процессе развинчивания пружинный узел настройки не участвует, т.к. в этом случае полость свинчивания приводного двигателя 5 связана либо с атмосферой, либо с линией слива (соответственно при использовании в качестве привода пневматического или гидравлического двигателя). Таким образом ключ развивает момент, соответствующий моменту сопротивления резьбового стыка развинчиваемых труб.

Изобретение относится к бурению скважин, в частности, представляет собой автоматический стационарный буровой ключ, который может быть использован для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурильных и обсадных труб. Буровой ключ содержит корпус, смонтированные в нем верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, приводной двигатель и моментомер. Ключ снабжен смонтированной в отдельном корпусе коробкой передач с быстроходным и тихоходным валами. Коробка передач размещена над редуктором и оснащена маховиком, смонтированным на ее быстроходном валу. Корпус коробки передач выполнен плавающим относительно оси тихоходного вала, соединяющего коробку передач с редуктором. Моментомер ключа включает пружинный узел настройки величины крутящего момента, реверсивный гидравлический датчик и гидротолкатель. Гидравлический датчик снабжен гидравлической полостью и приспособлен к взаимодействию с двумя упорами на корпусе редуктора. Гидротолкатель сообщен с гидравлической полостью и связан с выключателем приводного двигателя. Ключ обеспечивает качественное свинчивание - развинчивание резьбовых соединений бурильных или обсадных труб при обеспечении достоверной информации о величине крутящего момента и возможности его точной регулировки. 2 з.п.ф-лы, 4 ил.

1. Автоматический стационарный буровой ключ, содержащий корпус, смонтированные в нем верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, приводной двигатель и моментомер, отличающийся тем, что он снабжен смонтированной в отдельном корпусе коробкой передач с быстроходным и тихоходным валами, размещенной над редуктором и оснащенной маховиком, смонтированном на ее быстроходном валу, причем корпус коробки передач выполнен плавающим относительно оси тихоходного вала, соединяющего коробку передач с редуктором. 2. Автоматический стационарный буровой ключ по п.1, отличающийся тем, что моментомер ключа включает пружинный узел настройки величины крутящего момента, реверсивный гидравлический датчик, снабженный гидравлической полостью и приспособленный к взаимодействию с двумя упорами на корпусе редуктора, и гидротолкатель, сообщенный с указанной полостью и связанный с выключателем приводного двигателя. 3. Автоматический стационарный буровой ключ по п.2, отличающийся тем, что выключатель приводного двигателя выполнен в виде подвижного элемента, размещенного между пружинным узлом настройки величины крутящего момента и гидротолкателем.