АВТОМАТИЧЕСКИЙ СТАЦИОНАРНЫЙ БУРОВОЙ КЛЮЧ Российский патент 2002 года по МПК E21B19/16 

Изобретение относится к нефтегазопромысловому оборудованию и предназначено для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений труб, составляющих колонну, в процессе спуска-подъема колонны в скважину.

Известны автоматические стационарные буровые ключи для свинчивания и развинчивания бурильных и обсадных труб, содержащие корпус, верхнее и нижнее трубозажимные устройства, приводной двигатель, редуктор, пульт управления и моментомер (авт. св. 203590, МКИ Е 21 В 19/16, 1967 год).

Недостатком указанного ключа является то, что из-за отсутствия достоверной информации о величине крутящего момента и невозможности его точной регулировки не обеспечивается точное и качественное проведение работ по свинчиванию и развинчиванию колонны труб.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является автоматический стационарный буровой ключ, содержащий корпус, верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, приводной двигатель, моментомер, коробку передач, моментомер с пружинным узлом настройки величины крутящего момента (патент 2143051, МКИ Е 21 В 19/16, приоритет от 10.07.98 г.). Этот ключ имеет ряд недостатков, а именно:
1. Центр тяжести коробки передач, маховика и приводного двигателя расположен с большим эксцентриситетом по отношению к подшипниковому узлу крепления коробки передач к редуктору ключа. Это приводит к большим инерционным нагрузкам при подводе-отводе ключа, параметрическим колебаниям и перегрузкам подшипников опорного узла.

2. Ключ имеет статический зажим трубы, т.е. сначала челюсти схватывают трубу, а потом происходит вращение вместе с трубой. Значит, при развинчивании нет кинетической энергии у вращающихся частей ключа и наличие у ключа маховика не повысит крутящий момент развинчивания. Если трубы свинчены с крутящим моментом (0,85-1) М_кр.mах, то развинчивать эти трубы ключ будет не способен. Таким образом, наличие в составе ключа маховика является недостатком конструкции.

3. Узел настройки ключа на заданный момент имеет очень большую неточность, т.к. в него входит не регулируемая по усилиям пружина, что вносит погрешность настройки ±10%.

Таким образом, ключ не может обеспечить качественного свинчивания и особенно развинчивания резьбовых соединений из-за неточной информации о величине крутящего момента при свинчивании и пониженного крутящего момента при развинчивании.

Целью изобретения является создание ключа более совершенной конструкции, которая обеспечивала бы качественное свинчивание и развинчивание резьбовых соединений скважинных труб, а также позволяла бы осуществлять точную регулировку крутящего момента.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых:
фиг.1 - общий вид автоматического стационарного бурового ключа;
фиг.2 - продольный разрез бурового ключа, показанного на фиг.1;
фиг. 3 - моментомер бурового ключа, показанного на фиг.1 ( в разрезе), в увеличенном масштабе.

Для достижения цели предложен ключ, содержащий корпус 1 (фиг.1), установленный на опорной колонне 2 с направляющими 3, в которых может перемещаться корпус 1, коробку передач 4, приводной двигатель 5, планетарный редуктор 6, моментомер 7 и дистанционный пульт управления 8.

В корпусе ключа (фиг.2) смонтировано верхнее трубозажимное устройство 9 с челюстедержателем 10, которое может приводиться во вращение вертикальными пальцами 11, которые закреплены через промежуточный диск 12, на разрезной шестерне редуктора 13. В корпусе редуктора размещено нижнее трубозажимное устройство с челюстедержателем 14, которое может приводиться для зажима и освобождения неподвижной трубы двумя пневмоцилиндрами (на фиг.2 не показаны). Конструкция трубозажимных устройств известна. Каждое трубозажимное устройство включает пару челюстей 15, снабженных сухарями 16 и установленных в карманах верхнего и нижнего челюстедержателя. Челюсти снабжены роликами (на фиг. 2 не показаны), взаимодействующими со вкладышами (не показаны), размещенными в корпусе редуктора 17 и корпусе верхнего трубозажимного устройства.

На верхнем челюстедержателе смонтировано дисковое пневматическое тормозное устройство, состоящее из нижнего диска тормоза 18 и верхнего диска тормоза 19, связанных с верхним челюстедержателем 10, верхней 20 и нижней 21 тормозной накладки, неподвижного диска - корпуса тормоза 22, зафиксированного от поворота пальцем 23. В корпусе тормоза выполнены глухие цилиндрические расточки, в которых находятся 10 пневмоцилиндров с подпружиненными поршнями 24. Быстроходный вал редуктора 25 соединен через шлицевую втулку 26 с тихоходным валом коробки передач 27. Корпус коробки передач смонтирован на корпусе редуктора неподвижно. На корпусе коробки сверху расположена опора планетарного редуктора 29. В опоре имеется подшипник скольжения 30, в котором и устанавливается корпус планетарного редуктора 31. Благодаря такой установке планетарный редуктор может поворачиваться вокруг своей оси под действием реактивного момента. Водило 32 планетарного редуктора расположено соосно с тихоходным валом коробки передач и жестко связано с неподвижной в осевом направлении полумуфтой 33. Полумуфта 33 связана с быстроходным валом 34 через шестерню 35. Быстроходный вал 34 связан с тихоходным валом 27 через шестерню 36 со встроенной в нее полумуфтой 37. Подвижная полумуфта 38 может соединять водило планетарного редуктора 32 с тихоходным валом 27 напрямую через полумуфту 33, либо через быстроходный вал-шестерню 34. На кронштейне 39 корпуса коробки передач (фиг. 3) и крышке планетарного редуктора 40 смонтирован моментометр 7 (фиг.1). В состав моментомера входят передвижной упор 41, рычаг 42 и система из двух клапанов: отсекающего клапана 43 и клапана рычага 44.

Работа автоматического стационарного бурового ключа осуществляется следующим образом. Для свинчивания резьбового трубного соединения сначала вращением винта 45 передвижного упора 41 перемещают упор-каретку 46 так, чтобы указатель 47 остановился на требуемом значении момента свинчивавния на шкале рычага 42. Затем корпус ключа надвигается на резьбовой стык свинчиваемых труб прорезью в трубозажимных устройствах. Поворотом нижнего челюстедержателя зажимается неподвижная (нижняя) труба. Затем включается вверх полумуфта коробки передач, чем обеспечивается прямое соединение планетарного редуктора с тихоходным валом коробки передач. Затем включается приводной двигатель 5 (фиг. 1) и благодаря затормаживанию верхнего чеслюстедержателя усилиями подпружиненных поршней в корпусе тормоза 22 осуществляется захват и последующее вращение подвижной (верхней) трубы на быстрой скорости. Момент, развиваемый ключом на быстрой скорости незначителен, и не требует ограничения. Если реактивный момент превысит выставленный на моментомере и рычаг 42 повернется, открыв клапан рычага 44, то срабатывания отсекающего клапана 43 не происходит, так как давление на тормозе и клапане рычага 44 отсутствует. При остановке вращения вследствии возросшего момента сопротивления в резьбе оператор подачей давления с пульта осуществляет переключение подвижной муфты вниз для соединения ее через полумуфту 37 с шестерней 36. При этом давление подается в пневматический тормоз и усилие, с которым челюсти верхнего трубозахвата удерживают трубу, возрастает. Одновременно давление подается под тарелку клапана рычага 44, но клапан закрыт для прохода воздуха. Ключ вращает трубу на медленной скорости и происходит докрепление резьбы. При этом момент сопротивления в резьбе и момент, развиваемый пневмомотором, возрастают. Соответственно возрастает и реактивный момент на корпусе планетарного редуктора. Когда момент, развиваемый ключом, достигнет величины, установленной указателем 47 передвижной упор-каретки 46, рычаг 42, преодолевая силу пружины клапана 44 развернется, открыв клапан 44 для прохода воздуха на отсекающий клапан 43. Клапан 43 перекрывает подачу воздуха на свинчивание пневмомотора и пневмомотор останавливается. Процесс свинчивания прекращается при достижении заданного момента.

Процесс развинчивания происходит в обратном порядке. Сначала подачей давления с пульта включается пневматический тормоз и подвижная муфта включается вниз. Включается медленная скорость. Так как вращение пневмомотора теперь направлено в противоположную сторону, то и реактивный момент так же направлен в противоположную сторону, поэтому передвижной упор не давит на рычаг и не может повернуть его. Корпус планетарного редуктора не поворачивается в противоположную от рычага сторону так как упор, имеющийся в крышке планетарного редуктора ( на чертежах не показан), упирается в стационарный упор в опоре 29 планетарного редуктора. Момент развинчивания не требует ограничения, он определяется моментом сопротивления в резьбе развинчиваемых труб. При снятии натяга резьбы, когда труба начинает отвинчиваться и сопротивление в резьбе падает, оператор переключает коробку передач на быструю скорость (полумуфта 38 включается вверх) и осуществляет отвинчивание.

Ключ предложенной конструкции обладает высокой надежностью, позволяет качественно выполнять работы по свинчиванию-развинчиванию резьбовых соединений скважинных труб, а также позволяет осуществить точную регулировку крутящего момента.

Изобретение относится к технике для бурения нефтяных и газовых скважин и представляет собой автоматический стационарный буровой ключ, который может быть использован для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурильных и обсадных труб. Ключ содержит корпус, смонтированные в нем верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, приводной двигатель и моментомер. Ключ снабжен смонтированной в отдельном корпусе коробкой передач, которая размещена над редуктором, соосно со входным валом редуктора. Над коробкой передач размещен планетарный редуктор соосно с тихоходным валом коробки передач. Корпус коробки передач закреплен на корпусе редуктора неподвижно. Корпус планетарного редуктора имеет возможность поворачиваться вокруг оси в подшипнике скольжения. Моментомер ключа имеет рычажный механизм, передвижной упор настройки крутящего момента и систему клапанов для автоматического отключения приводного двигателя после достижения установленного крутящего момента свинчивания. Передвижной упор установлен на крышке планетарного редуктора и поворачивается вместе с корпусом планетарного редуктора. Все остальные узлы моментомера размещены на кронштейне корпуса коробки передачи неподвижно. При достижении выставленного крутящего момента рычаг под действием реактивной силы передвижного упора поворачивается, преодолевая усилие пружины клапана рычага, и открывает этот клапан. Давление через клапан рычага подается на отсекающий клапан, который закрывается и перекрывает подачу воздуха в приводной двигатель. Ключ позволяет производить качественное свинчивание - развинчивание резьбовых соединений бурильных и обсадных труб и обеспечивает возможность точной регулировки величины крутящего момента. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Автоматический стационарный буровой ключ, содержащий корпус, смонтированные в нем верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, приводной двигатель, коробку передач, планетарный редуктор и моментомер, отличающийся тем, что коробка передач расположена над редуктором, причем ее корпус закреплен на корпусе редуктора стационарно, а соосно с тихоходным валом коробки передач смонтирован планетарный редуктор, корпус которого выполнен плавающим относительно оси тихоходного вала. 2. Автоматический стационарный буровой ключ по п.1, отличающийся тем, что моментомер ключа включает передвижной упор, рычаг для настройки величины крутящего момента и систему клапанов для отключения приводного двигателя по достижению заданного момента свинчивания. 3. Автоматический стационарный буровой ключ по п.1, отличающийся тем, что тормоз верхнего трубозажимного устройства выполнен из трех дисков, крайние из которых связаны с челюстедержателем, а в среднем неподвижном диске выполнены глухие цилиндрические расточки, в которых размещены подпружиненные стаканы, причем тормозной момент может быть увеличен в нужный момент за счет подачи в расточки под стаканы сжатого воздуха.