АВТОМАТИЧЕСКИ РЕГУЛИРУЕМАЯ ПРИВОДНАЯ ЧЕЛЮСТЬ ТРУБНОГО КЛЮЧА Российский патент 2014 года по МПК E21B19/16 

Предпосылки создания изобретения

1. Область использования изобретения

Настоящее изобретение, в общем, относится к оборудованию, используемому для технического обслуживания и ремонта нефтяных и газовых эксплуатационных скважин, а более конкретно относится к приводным челюстям трубных ключей или к трубным ключам такого типа, которые используют для свинчивания или развинчивания резьбовых соединений между последовательно соединяемыми элементами колонны, из которых собирают непрерывную насосно-компессорную колонну, опускаемую в ствол скважины при разработке подземных месторождений.

2. Уровень техники

При бурении нефтяных или газовых скважин обычно необходимо создавать длинные бурильные колонны. Из-за большой длины этих колонн секции колонны последовательно добавляют к бурильной колонне по мере ее опускания в скважину с буровой платформы. Обычной практикой является использование узлов трубных ключей для приложения предварительно определенного крутящего момента при свинчивании или развинчивании соединений труб бурильной колонны. Узлы трубных ключей обычно располагают на платформе, либо на направляющих, либо в подвешенном состоянии на цепи на буровой вышке. Примеры известных узлов трубных ключей описаны в патентах США №№5060542, 5386746 и 5868045, зарегистрированных на имя Thomas D. Hauk. Описания патентов США №№5060542, 5386746 и 5868045 включены в настоящую заявку в их полном объеме путем ссылки.

Для свинчивания или развинчивания резьбовых соединений труб использовали известные узлы трубных ключей, включающие активную (или рабочую) челюсть трубного ключа, посредством которой сообщали крутящий момент секции колонны выше или ниже резьбового соединения, в то время как пассивной (или удерживающей) челюстью трубного ключа сообщали реактивный крутящий момент ниже или выше резьбового соединения, соответственно, в зависимости от того, выполняли ли сборку или разборку колонны. Более конкретно, в известных узлах трубных ключей, описанных в патентах США №№5060542, 5386746 и 5868045, раскрыто использование челюстей трубных ключей трех уровней, при этом челюсти трубных ключей на каждом уровне приводили в действие при повороте в предварительно определенном направлении таким образом, чтобы создавался более сильный зажим трубы при поворачивании ее в упомянутом направлении. Челюсти верхнего и нижнего уровней ориентировали таким образом, чтобы поворачивать трубу в одном направлении, в то время, как челюсть среднего уровня ориентировали таким образом, чтобы поворачивать трубу в противоположном направлении. Верхнюю, среднюю и нижнюю челюсти трубного ключа располагали на расстоянии друг от друга в вертикальном направлении и соединяли вместе, образуя автономный узел инструмента, или трубного ключа. Верхнюю и нижнюю челюсти трубного ключа крепили к общей раме, тогда как среднюю челюсть трубного ключа шарнирно присоединяли между верхней и нижней челюстями трубного ключа к общей раме.

Для выполнения соединения труб верхнюю секцию колонны вращали, например, вращающим инструментом до достижения требуемого окончательного затягивания. Затем узел трубного ключа регулировали таким образом, чтобы верхняя челюсть трубного ключа зацеплялась с секцией колонны, расположенной немного выше соединения труб. Затем среднюю челюсть трубного ключа зацепляли с секцией колонны, расположенной немного ниже соединения труб. Нижнюю челюсть трубного ключа располагали ниже места соединения инструмента, где она находилась рядом с трубой, но не была зацеплена с трубой при выполнении соединения. Затем верхнюю и среднюю челюсти трубного ключа зажимали на трубе, после чего верхнюю челюсть в сборе трубного ключа вращали для выполнения соединения. После этого верхнюю и среднюю челюсти трубного ключа разводили для высвобождения затянутого соединения труб.

Для нарушения (или ослабления) соединения до развинчивания, посредством вывинчивания, путем использования обычного вращательного инструмента, узел трубного ключа перемещали в вертикальном направлении таким образом, чтобы средняя челюсть трубного ключа зацеплялась с колонной немного выше соединения труб, а нижняя челюсть трубного ключа зацеплялась с колонной немного ниже нижнего соединения труб. Для ослабления соединения верхнюю челюсть трубного ключа обычно располагали выше соединения, но ее не вводили в сопряжение с колонной. Среднюю и нижнюю челюсти трубного ключа затем зажимали на колонне выше и ниже соединения труб, соответственно. Среднюю челюсть трубного ключа затем вращали против часовой стрелки для развинчивания или ослабления соединения.

Таким образом, соединение труб выполняли путем зажима средней челюсти трубного ключа на нижней части соединения труб, и использовали верхнюю и среднюю челюсти трубного ключа для поворота верхней части соединения труб по часовой стрелке. Развинчивание соединения выполняли путем зажима нижней челюсти трубного ключа на нижней части соединения колонны и использовали челюсти трубного ключа среднего и нижнего уровней для вращения верхней части соединения колонны против часовой стрелки.

Челюсти современных узлов трубных ключей можно приспосабливать к обхвату труб различных диаметров. Как указано в упомянутых патентах США, каждая челюсть трубного ключа содержит крюк, имеющий конец хвостовика, проходящий от крюка. Конец хвостовика снабжен резьбой. Головка приспособлена к размещению конца хвостовика крюка. Гаечный узел расположен на конце головки, противоположном крюку для резьбового зацепления с концом хвостовика крюка. Гайка содержит ручки, посредством которых облегчают поворачивание вручную гайки в любом направлении для выдвигания и задвигания конца крюка челюсти трубного ключа для обхвата труб различных диаметров. Взаимосвязь между гайкой, крюком и головкой такова, что путем вращения гайки обеспечивают разведение или сведение челюсти трубного ключа до желаемого положения относительно конкретного диаметра соединения труб.

Для свинчивания или развинчивания соединения бурильной колонны, должен быть приложен большой крутящий момент на протяжении большого угла поворота, который прикладывают посредством введения в действие челюстей трубного ключа. Челюсти трубного ключа сначала приводят в действие путем обеспечения гидравлических зажимных цилиндров, которыми поворачивают крюк и головку друг относительно друга, сводя и таким образом усиливая зажим челюстей трубного ключа на трубе. Первоначальным сопряжением зажимных цилиндров с трубой начинают приложение крутящего момента, чем обеспечивают возможность более эффективного приложения последующего крутящего момента. Затем используют другие гидравлические средства, например, гидравлический цилиндр для создания крутящего момента, для приложения крутящего момента.

Как пояснено выше, в то время как челюсти известных трубных ключей содержат автоматизированные механизмы для зажима трубы и для приложения большого крутящего момента к челюстям трубного ключа, при использовании трубных ключей согласно аналогам и прототипу все же требуется ручное регулирование трубных ключей для обеспечения возможности обхвата труб различного диаметра. По этой причине для начала выполнения процессов свинчивания и развинчивания каждую челюсть трубного ключа требуется вручную развести и свести для обеспечения возможности обхвата труб различного диаметра. При использовании челюстей трубных ключей, в которых необходимо выполнение вручную операций регулирования положения челюстей, требуется дополнительное время на выполнение этих операций, при выполнении процессов, связанных со свинчиванием или развинчиванием труб, а также увеличивается риск травмирования оператора, управляющего узлом трубного ключа.

Целью настоящего изобретения является создание челюстей трубных ключей и узлов челюстей трубных ключей, обеспечивающих сокращение времени на свинчивание или развинчивание соединения труб и повышение безопасности при выполнении операций с использованием челюстей трубных ключей путем уменьшения до минимума контактов оператора с ними.

Краткое описание изобретения

Согласно изобретению система приводных челюстей трубного ключа создана для зацепления и приложения больших крутящих моментов к секции трубы с резьбовым соединением, содержащая, по меньшей мере, один трубный ключ, содержащий головку и крюк для зацепления трубы, регулировочный гаечный узел для выдвигания и задвигания крюка трубного ключа относительно головки, двигатель, механически соединенный с регулировочным гаечным узлом для привода узла для выдвигания и задвигания крюка трубного ключа, и блок управления, связанный с двигателем, для управления двигателем.

Двигатель может быть гидравлическим двигателем.

Блок управления может содержать пользовательский интерфейс.

Крюк может содержать хвостовик, снабженный на конце резьбой, головка содержит отверстие для введения в него конца хвостовика крюка и обеспечения прохождения конца хвостовика через отверстие в головке для зацепления резьбового конца хвостовика с регулировочным гаечным узлом.

Регулировочный гаечный узел может быть шарнирно соединена с головкой.

Крюк шарнирно может бытьсоединен с головкой.

Система приводных челюстей трубного ключа может дополнительно содержащать узел трубного ключа, содержащий, по меньшей мере, три трубных ключа.

Система приводных челюстей трубного ключа может дополнительно содержащая сборку опоры, содержащую колонну, удлинитель, проходящий с одного конца от колонны и содержащий несущий блок, прикрепленный к удлинителю на его противоположном конце, для поддержания узла трубного ключа.

Согласно изобретению приводная челюсть трубного ключа создана для зацепления и приложения больших крутящих моментов к секции трубы с резьбовым соединением, содержащая, крюк, имеющий хвостовик, снабженный на конце резьбой, головку, приспособленную для введения в нее резьбового конца хвостовика крюка, и регулировочный гаечный узел, снабженный гидравлическим приводом, зацепляющуюся с резьбовым концом хвостовика крюка и расположенную на конце головки, противоположного крюку.

Регулировочный гаечный узел может быть шарнирно соединен с головкой.

Крюк может быть шарнирно соединен с головкой.

Согласно изобретению создан автоматически регулируемый узел трубного ключа для зацепления и приложения больших крутящих моментов к секции колонны с резьбовым соединением, содержащий сборку опоры, имеющую колонну, удлинитель, проходящий с одного конца от колонны и содержащий несущий блок, прикрепленный к удлинителю на его противоположном конце, и множество трубных ключей, содержащих головку, крюк и регулировочный гаечный узел, снабженный гидравлическим приводом, для выдвигания и задвигания крюка трубного ключа относительно головки.

Крюк может содержать хвостовик, снабженный на конце резьбой, головка содержит отверстие для введения в него конца хвостовика крюка и обеспечения прохождения конца хвостовика через отверстие в головке для зацепления резьбового конца хвостовика с регулировочным гаечным узлом.

Регулировочный гаечный узел может быть шарнирно соединен с головкой.

Крюк может быть шарнирно соединен с головкой.

Узел трубного ключа может содержать, по меньшей мере, три трубных ключа.

Согласно изобретению создан способ автоматического регулирования размера зева приводной челюсти трубного ключа для обхвата труб различных диаметров, содержащий следующие этапы:

введение в действие гидравлического двигателя для привода регулировочного гаечного узла, зацепленной резьбовым соединением с крюком, шарнирно соединенным с узлом головки, для выдвигания крюка относительно головки;

введение в действие гмдравлического двигателя в обратном направлении для задвигания крюка относительно головки при введении трубы в зев приводной челюсти трубного ключа;

выключение гидравлического двигателя при достижении контакта крюка и головки с трубой;

реверсирование направления вращения гидравлического двигателя на предварительно определенный период времени для отведения крюка и головки от трубы на предварительно определенное расстояние до приложения крутящего момента к трубе.

При осуществлении способа можно применять пневматическое логическое устройство для определения предварительно определенного периода времени реверсирования направления вращения гидравлического двигателя для данного диаметра трубы.

Крюк и головка могут содержать держатели зажимных губок, и направление вращения гидравлического двигателя реверсируют при контакте держателей зажимных губок контактируют с трубой.

Этапы способа могут выполняться с помощью блока управления, вводимого в действие пользователем.

Краткое описание чертежей

Изобретение может быть лучше понятно в результате ознакомления с прилагаемыми чертежами. Компоненты, изображенные на чертежах, не обязательно выполнены в масштабе, а представлены для иллюстрации принципов изобретения. На чертежах одинаковыми номерами позиций обозначены соответствующие части на различных видах.

На фиг.1 изображен вид в перспективе одного примера осуществления автоматически регулируемого узла трубного ключа, установленного на опоре.

На фиг.2 - подробный вид автоматически регулируемого узла трубного ключа, показанного окружностью А на фиг.1.

На фиг.3 - вид в перспективе одного примера осуществления автоматически регулируемой приводной челюсти трубного ключа, используемой в узле трубного ключа, представленного на фиг.1.

На фиг.4 - вид в разобранном состоянии регулируемой приводной челюсти трубного ключа, представленной на фиг.3.

на фиг.5 - дополнительный вид в разобранном состоянии регулируемого узла регулируемой приводной челюсти трубного ключа, представленной на фиг.4.

На фиг.6 - вид сбоку регулировочного узла, представленной на фиг.4.

На фиг.7 - разрез по 7-7 на фиг.6 регулировочного узла.

На Фиг.8 - вид сверху автоматически регулируемой приводной челюсти трубного ключа в разведенном положении.

На фиг.9 - разрез по 9-9 на фиг.6 приводной челюсти трубного ключа.

На фиг.10 - вид сверху автоматически регулируемой приводной челюсти трубного ключа в сведенном положении.

На фиг.11 - разрез по 11-11 на фиг.10 приводной челюсти трубного ключа.

На фиг.12 - вид сверху автоматически регулируемой приводной челюсти трубного ключа при обхвате ею трубы малого диаметра.

На фиг.13 - вид сверху автоматически регулируемой приводной челюсти трубного ключа при обхвате ею трубы большого диаметра.

На фиг.14 - блок-схема одного примера действия регулируемой сборки.

На фиг.15 - принципиальная схема компонентов цепи управления, используемой для управления гидромотором и реверсирования направления движения мотора, посредством использования пневматического логического устройства, для отведения держателей зажимных губок от труб.

На фиг.16 - блок-схема системы автоматического регулирования множества приводных челюстей трубного ключа, установленных на замковом соединении для захвата труб различных размеров.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 изображен вид в перспективе одного варианта осуществления автоматически регулируемого узла 100 трубного ключа и саморегулирующегося трубного механического ключа 102, установленных на опорной сборке 104. Опорная сборка 104 состоит из прочной опорной колонны 106, содержащей удлинитель 108. С-образная головка 110 (или несущий блок) смонтирована на конце удлинителя 108, противоположном относительно колонны 106, для поддержания и вывешивания трубного механического ключа 102 и узла 100 трубного ключа над устьем нефтяной скважины.

На колонне 106 опорной сборки 104 смонтирована тележка 105. С помощью тележки 105 посредством использования гидравлических двигателей и гидроцилиндров можно поворачивать удлинитель 108 относительно колонны 106 в горизонтальном направлении и перемещать удлинитель 108 вверх и вниз вдоль колонны 106 в вертикальном направлении. Также посредством использования гидромоторов и гидроцилиндров можно перемещать удлинитель 108 в продольном направлении, в выдвинутое или отведенное положение С-образной головки 110 относительно колонны 106. Посредством горизонтального, вертикального и продольного перемещений удлинителя 108 и С-образной головки 110 относительно колонны 106 обеспечивают возможность, используя опорную сборку 104, регулирования положения регулируемого узла 100 трубного ключа и трубного механического ключа 102 относительно устьев скважин, шурфов для двухтрубки и/или соединений труб. Кроме того, С-образная головка 110 может наклоняться относительно удлинителя 108 для обеспечения возможности свинчивания и развинчивания соединений труб, расположенных не вертикально, а отклоненных на небольшой угол от вертикали.

Кроме того, регулируемый узел 100 трубного ключа может быть смонтирован на С-образной головке 110 посредством комплектов соединительных звеньев, с помощью которых может быть обеспечена возможность поворота регулируемого узла 100 трубного ключа, наружу влево, в направлении против часовой стрелки, когда его используют для развинчивания соединений труб. Аналогичным образом, при сборке соединений труб с помощью соединительных звеньев обеспечивают возможность поворота регулируемого узла 100 трубного ключа наружу, вправо, или в направлении по часовой стрелке.

На фиг.2 изображен подробный вид автоматически регулируемого узла 100 трубного ключа, выделенного окружностью А на фиг.1. Как показано на фиг.2, узел 100 трубного ключа, в проиллюстрированном примере, содержит три челюсти 200, 202, 204 трубного ключа, смонтированные на отдалении друг от друга в вертикальном направлении на С-образной головке 110 удлинителя 108, смонтированного на опорной сборке 104 таким образом, что каждая, верхняя, средняя, нижняя челюсти 200, 202, 204 трубного ключа расположены в горизонтальной плоскости. Верхняя и нижняя челюсти 200, 204 трубного ключа идентичны, в проиллюстрированном примере, и ориентированы в одном и том же направлении таким образом, что нижняя челюсть 204 трубного ключа расположена непосредственно под верхней челюстью 200 трубного ключа. Средняя челюсть 202 трубного ключа смонтирована в обратном направлении относительно верхней и нижней челюстей 200, 204 трубного ключа и приспособлена к приложению крутящего момента к трубе, введенной в зев челюсти трубного ключа в направлении, противоположном направлению верхней и нижней челюстей 200, 204 трубного ключа. Зевы челюстей трубного ключа каждого комплекта челюстей 200, 202, 204 трубного ключа находятся в выверенном друг относительно друга положении в вертикальном направлении при обхвате трубы и для взаимодействия с трубным механическим ключом 102 для свинчивания и развинчивания соединений труб для введения или извлечения из нефтяной скважины, над которой подвешены узел 100 трубного ключа и трубный механический ключ 102.

В варианте, представленном на фиг.1 и 2, все три челюсти 200, 202, 204 трубного ключа идентичны, за исключением того, что, как это пояснено выше, средняя челюсть 202 трубного ключа ориентирована в противоположном направлении относительно верхней и нижней челюстей 200, 204 трубного ключа. По этой причине приведено подробное описание одной челюсти трубного ключа, относящееся ко всем проиллюстрированным челюстям трубного ключа. Для удобства средняя челюсть 202 трубного ключа описана подробно ниже.

На фиг.3 изображен вид в перспективе одного варианта осуществления автоматически регулируемой приводной челюсти 202 трубного ключа, используемой в узле 100 трубного ключа, представленном на фиг.1 и 2. На фиг.4 изображен вид в разобранном состоянии регулируемой приводной челюсти трубного ключа, представленной на фиг.3.

В варианте, представленном на Фиг.3, 4, челюсть 202 трубного ключа содержит крюк 302, имеющий хвостовик 412, конец которого снабжен резьбой, головку 306 и регулировочный гаечный узел 304. Крюк 302 шарнирно соединен с головкой 306. Регулировочный узел 304 также шарнирно соединен с головкой 306.

Челюсть 202 трубного ключа дополнительно содержит две сборки 316 и 318 держателей зажимных губок для зажима соединений труб. Для зажима труб с повышенным крутящим моментом и давлением, сборка 316 держателя зажимной губки крюка шарнирно соединена с крюком 302, а сборка 318 держателя зажимной губки пяты шарнирно соединена с поворотным блоком 308.

Как показано на Фиг.3 и 4, головка 306 содержит верхнюю и нижнюю пластины 312 и 402, верхнюю и нижнюю дублирующие пластины 310 и верхний и нижний корпуса 404 шарниров (называемые вместе «сборками пластин»), которые соединены вместе с использованием сварочных процессов, посредством которых создают прочные сборки пластин. Эти сборки пластин отдалены друг от друга в горизонтальном направлении таким образом, что образуют отверстие, приспособленное к размещению хвостовика 412 крюка 302. Верхняя и нижняя сборки пластин скреплены одна с другой посредством поворотного блока 308 зажимной губки и посредством болтов и гаек. Поворотный блок 308, сборки пластин и болты с гайками предназначены для прикрепления сборок пластин одна к другой для поддержания постоянного положения между сборками пластин, которые способствуют образованию отверстия для прохождения хвостовика 412.

Хвостовик 412 крюка 302 является плоским с верхней и нижней сторон, при этом верхняя и нижняя поверхности хвостовика расположены в горизонтальных плоскостях вблизи верхней и нижней пластин 312, 402. В общем, вертикальные противоположные стороны хвостовика 412 в части хвостовика 412, отдаленной от крючкообразного конца крюка 302, снабжены резьбой 414. Регулировочный гаечный узел 304 большого диаметра приспособлен к резьбовому сопряжению с хвостовиком 412 крюка 302. Взаимодействие между крюком 302 и регулировочным узлом 304 является таким, что при вращении части регулировочного узла 304 челюсть 202 трубного ключа разводится или сводится до желаемого положения относительно конкретного диаметра соединения труб. Кроме того, регулировочный узел шарнирно соединен с головкой 306 таким образом, что крюк 302 и регулировочный узел 304 поворачиваются вокруг предварительно определенной вертикальной оси относительно головки 306 посредством шарнирного соединения регулировочного узла 304 с головкой 306, расположенного около верхнего и нижнего поворотных корпусов, в которых используют шарнирные втулки 407, шарнирные пальцы 408 и держатели 406 шарнирных втулок. Может быть также использована (не обязательно) опорная пластина 314 для установки концевых выключателей.

На фиг.5 изображен дополнительный вид в разобранном состоянии регулировочного узла 304 регулируемой приводной челюсти 202 трубного ключа, представленной на фиг.3 и 4. Как показано на чертеже, регулировочный узел 304 содержит гаечный узел 502, предназначенный для резьбового сопряжения с концом хвостовика 412 крюка 302. Неподвижный наружный корпус 504 приспособлен к размещению в нем вращаемого гаечного узла 502. Узел 502 приводят во вращение гидравлическим двигателем 506. Вся регулировочный узел 304 присоединен к головке 306 посредством использования верхнего и нижнего качающихся рычагов 508, 510, прикрепленных к верхней и нижней частям наружного корпуса 504 посредством использования болтов 520, пропущенных через верхние опорные бруски 512, 514 и нижние опорные бруски 516, 518, расположенные на наружном корпусе 504, и гаек 522. Свободные концы качающихся рычагов 508, 510 шарнирно соединены с верхним и нижним корпусами 404 шарниров, шарнирными втулками 406 и шарнирными пальцами 408, 410 головки 306 посредством верхней и нижней шарнирных опор 524, 526, соответственно. Свободные концы качающихся рычагов 508, 510 содержат встроенные шарнирные пальцы 540, 542, выступающие из них, которые введены в отверстия 544, 546 верхней и нижней шарнирных опор 524, 526 для обеспечения возможности поворота регулировочного узла 304 и крюка 302 относительно головки 306.

Гидравлический двигатель 506 прикреплен к наружному корпусу 504 посредством соединительной плиты 532, проставки 530 для крепления двигателя, прикрепленной к соединительной плите 532 между двигателем 506 и наружным корпусом 504 посредством болтов 534 и шайб 536. Гаечный узел 502, наружный корпус 504, соединительная плита 532 и проставка 530 для крепления мотора содержат (каждый компонент) центральные отверстия, которые совмещают при сборке для введения шестигранного вала 528. Один конец шестигранного вала приводят во вращение двигатель 506, а противоположный конец шестигранного вала 528 сопряжен с узлом 502 для сообщения вращения гаечного узла 502 как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки. Для сопряжения шестигранного вала 528 с целью вращения узла 502 центральное совмещающее отверстие в узле 502 выполнено шестиугольной формы для надежного сопряжения с шестигранным валом 528 и для способствования вращению гаечного узла 502 посредством шестигранного вала 528.

На фиг.6 изображен вид сбоку регулировочного гаечного узла 304, представленного на фиг.4. В собранном состоянии гаечный узел 502 большей своей частью расположен внутри наружного корпуса 504. К верхней и нижней частям наружного корпуса 504 прикреплены болтами 520 верхний и нижний качающиеся рычаги 508, 510. Верхний и нижний качающиеся рычаги 508, 510 шарнирно соединены с шарнирными опорами 524, 526, соответственно, для шарнирного соединения регулировочного узла 304 с головкой 306, как это представлено на фиг.3.

Крепление соединительной плиты 532 к наружному корпусу 504 посредством болтов 534 и шайб 536 дополнительно показано на фиг.6. К соединительной плите 532 также прикреплена проставка 530 для крепления мотора, посредством которой гидравлический двигатель 506 прикреплен к заднему концу регулировочного узла 304.

На фиг.7 изображен разрез по 7-7 на фиг.6 регулировочного узла. На фиг.7 изображено резьбовое отверстие 702 в регулировочный узел 304 для ввода резьбового конца хвостовика 412 крюка 302. Отверстие 702, по его окружности, снабжено резьбой 704 для резьбового зацепления с резьбой 414 на конце хвостовика 412 крюка 302. Рядом с резьбовым отверстием 702 расположена полость 706, содержащая боковые стенки 708 и торцевую стенку 710 для введения конца 414 хвостовика крюка 302 при отводе крюка 302 в сведенное положение путем вращения узла 502 по часовой стрелке, в результате чего конец 414 хвостовика заходит в полость 706.

На фиг.8, 9, 10, 11 изображена приводная челюсть 202 трубного ключа в разведенном и сведенном положениях, соответственно. Во время подготовки к захвату соединения труб крюк 302 перемещают в выдвинутое положение посредством введения в действие гидравлического мотора 506, с помощью которого вращают узел 502. В проиллюстрированном варианте челюстью 202 приводного трубного ключа можно охватывать трубы предварительно определенного диаметра, например 3 дюйма (76,2 мм), без какой-либо дополнительной регулировки. Однако для охвата челюстью 202 приводного трубного ключа трубы большего диаметра, чем предварительно определенный диаметр, челюсть 202 приводного трубного ключа необходимо развести достаточно широко для охвата трубы большего диаметра. Соответственно гаечный узел 502 вращают против часовой стрелки для перемещения хвостовика 412 крюка 320 наружу из регулировочного узла 304, таким образом выдвигая крюк 302 в разведенное положение для захвата соединения труб большего диаметра.

На фиг.8 изображен вид сверху челюсти 202 автоматически регулируемого приводного трубного ключа, при этом крюк 302 показан в разведенном положении для охвата соединения труб большего диаметра. На фиг.9 изображен разрез по 9-9 на фиг.6 приводной челюсти трубного ключа, где показан конец хвостовика 412 крюка 302, выступающий так, что только малая часть конца хвостовика 412 находится в полости 706 узла 502.

Аналогичным образом, на фиг.10 изображен вид сверху автоматически регулируемой приводной челюсти 202 трубного ключа в сведенном положении, приспособленной к охвату трубы меньшего диаметра, например 3 дюйма (76,2 мм). На фиг.11 изображен разрез по 11-11 на фиг.10 приводной челюсти трубного ключа, где показан конец хвостовика 412 крюка 302, отведенный таким образом, что конец хвостовика 412 крюка 302 почти полностью находится в полости 706 узле 502.

На фиг.12 изображен вид сверху автоматически регулируемой приводной челюсти 202 трубного ключа при захвате ею трубы малого диаметра. На фиг.13 изображен вид сверху автоматически регулируемой приводной челюсти 202 трубного ключа при захвате ею трубы большого диаметра. Как показано на фиг.12 и 13, с помощью регулировочного узла 304 можно выдвигать или задвигать сборку крюка посредством использования резьбового сопряжения конца хвостовика 412 крюка 302 для обеспечения возможности сведения челюсти 202 трубного ключа для достаточно тугого зажима захватываемых труб 1200 малого диаметра, как это представлено на фиг.12, или для захвата труб большого диаметра, как это представлено на фиг.13.

На фиг.14 представлена блок-схема 1400, иллюстрирующая один пример действия регулировочного узла 304. Для захвата труб больших диаметров, приводную челюсть 202 трубного ключа сначала разводят на этапе 1402 достаточно широко для охвата трубы соответствующего диаметра посредством введения в действие гидравлического двигателя 506 в направлении, при котором крюк 302 выдвигается наружу в направлении от головки 306. После введения трубы в приводную челюсть 202 трубного ключа (на этапе 1404), движение гидравлического двигателя 506 реверсируют, сводя приводную челюсть 202 трубного ключа, посредством перемещения крюка 302 внутрь по направлению к головке 306 до тех пор, пока держатели 316, 318 зажимных губок ни соприкоснуться с трубой на этапе 1406. При контакте держателей 316, 318 зажимных губок с трубой оператор выключает гидравлический двигатель 506 на этапе 1408. При выключении двигателя 506 система затем использует пневматическое логическое устройство для реверса движения двигателя в течение предварительно определенного периода времени для отведения держателей зажимных губок в направлении от трубы на предварительно определенное расстояние, задаваемое в зависимости от диаметра трубы на этапе 1410.

На фиг.15 представлена принципиальная схема 1500 компонентов цепи управления, используемой для управления гидравлическим двигателем 1502. Как показано на чертеже, компоненты цепи управления содержат направляющий гидрораспределитель 1504, сообщенный с двигателем 1502. С помощью направляющего гидрораспределителя 1504 управляют направлением вращения гидравлического двигателя 1502. В состав компонентов дополнительно входят логическое устройство 1506, которое в данном случае является логическим устройством «или», первый и второй управляемые клапаны 1508 и 1510 таймер задержки «выключить» 1512, таймер задержки «включить» 1514 и однополюсный переключатель 1516 на два направления.

Система управления спроектирована таким образом, чтобы в ней использовалось пневматическое логическое устройство (логическое устройство 1506 «или») для реверса направления вращения двигателя 1502 при контакте держателей 316, 318 зажимных губок с трубой. Направление вращения двигателя реверсируют на предварительно определенный период времени для отведения держателей 316, 318 зажимных губок от трубы на предварительно определенное расстояние, как это показано на фиг.14, этап 1410. В данном описании, при перемещении держателей зажимных губок 316, 318 по направлению к трубе, принято говорить, что двигателем 1502 обеспечивают перемещение вперед. При перемещении держателей зажимных губок 316, 318 по направлению от трубы после контакта с ней, принято говорить, что двигателем 1502 обеспечивают перемещение в обратном направлении (реверс).

Для обеспечения движения двигателя 1502 вперед вводят в действие однополюсный переключатель 1516 на два направления, а пневматические управляемые клапаны 1508, 1510 закрывают, таким образом вводя в действие схему отсчета времени, состоящую из таймеров задержки «включить» и «выключить» 1514, 1512. Пневматический однополюсный переключатель 1516 на два направления вводят в действие, используя переключатель с пружинной нагрузкой, который возвращается в среднее положение при выключении.

Как представлено на фиг.15, для подачи сигнала на движение двигателя 1502 в обратном направлении (реверс) включают пневматический однополюсный переключатель 1516 на два направления, в результате чего происходит прямое соединение переключателя 1615 с направляющим гидрораспределителем 1504.

Схема отсчета времени состоит из таймера задержки 1512 «выключить» и таймера задержки «включить», каждый из которых содержит один канал для подачи сжатого воздуха, одно сигнальное устройство и один выход. Во время действия на таймер подается сигнал на снижении до нуля давления сжатого воздуха; внутренним клапаном обеспечивают выход сжатого воздуха в течение предварительно определенного периода времени. После истечения предварительно определенного периода времени, таймер прерывает соединение внутреннего клапана и прекращает подачу сжатого воздуха. Таким образом, таймер прерывает подачу сжатого воздуха к направляющему гидрораспределителю 1504 для прекращения выполнения операции двигателем 1502 в обратном направлении.

При первоначальном включении системы с помощью таймера задержки «включить» обеспечивают задержку подачи сжатого воздуха к таймеру задержки «выключить». Этой задержкой обеспечивают возможность выполнения таймером «выключить» одного временного цикла по первоначальному созданию давления в цепи.

На фиг.16 представлена блок-схема системы автоматического регулирования множества приводных челюстей 200, 202, 204 трубного ключа, смонтированного на опорной сборке 104 (фиг.1 и 2) для захвата труб различных размеров. Посредством использования автоматически регулируемых приводных челюстей 200, 202, 204 трубного ключа челюстями трубного ключа можно дистанционно управлять с пульта управления, который, как показано на фиг.16, может содержать блок 1602 управления и пользовательский интерфейс 1604. Блок 1602 управления приспособлен к регулированию приводных челюстей 200, 202, 204 трубного ключа посредством управления действием, включающим направление движения двигателя 506, которое требуется для захвата труб различных диаметров. Например, с помощью блока 1602 управления оператор может, используя пользовательский интерфейс 1604, разводить приводные челюсти трубного ключа для обеспечения достаточно широкого зева для захвата соединений труб большого диаметра, которые требуется собрать или разобрать с помощью приводных челюстей 200, 202, 204 трубного ключа. Хотя разведением и сведением приводных челюстей 200, 202, 204 трубного ключа оператор может управлять, используя блок управления 1602, блок 1602 управления может быть снабжен программой, содержащей предварительно определенные установки для различных размеров труб, которые могут быть подобны размерам труб 1200, представленных на фиг.12. При этом блок 1602 управления, на базе предварительно определенных установок, может разводить приводные челюсти 200, 202, 204 трубного ключа для обеспечения достаточно широкого зева для захвата трубы такого диаметра посредством управления действием двигателя 506 (см. фиг.10). Кроме того, с помощью блока 1602 управления, когда труба уже охвачена приводными челюстями 200, 202, 204 трубного ключа, можно включить двигатель 506 для вращения гаечного узла 502 до контакта держателей 316, 318 зажимных губок с трубой. После контакта держателей 316, 318 зажимных губок с трубой, их затем отводят от трубы путем реверсирования вращения мотора в течение предварительно определенного периода времени. В зависимости от уровня обеспеченности возможностями блока 1602 управления и от запрограммированных процессов, хранящихся в памяти, пользователь может полностью или частично управлять действием двигателя 506 путем введения в действие и/или выполнения команд, хранящихся в памяти блока 1602 управления.

При использовании блока 1602 управления в сочетании с множеством приводных челюстей 202 трубного ключа, как это представлено на фиг.16, регулирование челюстей трубного ключа может выполняться одновременно. В альтернативном варианте исполнения регулирование каждой челюсти трубного ключа можно выполнять последовательно. В любом случае благодаря обеспечению автоматизированного регулирования челюстей трубного ключа (без необходимости ручного регулирования) уменьшают до минимума время регулирования. Кроме того, повышают безопасность действия челюстей трубного ключа благодаря уменьшению до минимума контактов оператора с челюстями трубного ключа.

Специалистам в данной области техники должно быть понятно (и они могут это оценить), что одним или большим числом процессов, подпроцессов или этапов процессов, описанных со ссылками на фиг.8-15, можно управлять, используя аппаратное и/или программное обеспечение. Если процесс выполняется с использованием программного обеспечения, то программное обеспечение может постоянно храниться в памяти запоминающего устройства (не показано), в соответствующем электронном процессорном компоненте или системе, например, в одном или большем числе функциональных компонентов или модулей, схематически представленных на фиг.14 и 15. Программное обеспечение в запоминающем устройстве может содержать упорядоченный перечень команд, которые могут быть выполнены, для выполнения логических функций (т.е. «логики», которая может быть выполнена либо в цифровой форме, например, в виде цифровой схемы; либо в виде исходного кода; либо в аналоговой форме, например, в виде аналоговой схемы; либо в виде аналогового источника, например аналогового электрического, звукового или видеосигнала), и может быть выборочно воплощено в любой считываемой компьютером среде для использования системой или в сочетании с системой, аппаратом или устройством для выполнения команд или для использования в сочетании с ними, например, системой на базе компьютера, системой, содержащей процессор, или другой системой, которая может выборочно отбирать команды из системы, аппарата или устройства для выполнения команд и выполнять команды. В контексте данной заявки под «считываемой компьютером средой» понимают любые средства, которые могут содержать, хранить или передавать программу для использования системой, аппаратом или устройством для выполнения команд или в сочетании с ними. Считываемой компьютером средой может выборочно быть, например, (но состав сред не ограничен данным перечнем) электронная, магнитная, оптическая, электромагнитная, инфракрасная или полупроводниковая система, аппарат или устройство. Более конкретные примеры (но, однако, это не исчерпывающий перечень) считываемых компьютером сред включают следующие: портативная компьютерная дискета (магнитная среда), оперативное запоминающее устройство (электронная среда), постоянное запоминающее устройство (электронная среда), стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство или флеш-память (электронная среда) и портативный компакт-диск (оптический). Следует отметить, что считываемой компьютером средой может быть даже бумага или другая соответствующая среда, на которой напечатана программа, так как программа может быть электронным способом считана, например, посредством оптического сканирования бумажной или другой среды, затем компилирована, интерпретирована или другим образом обработана, если это необходимо, а затем сохранена в памяти компьютера.

Приведенное описание осуществлений представлено с целью иллюстрации и описания. Оно не является исчерпывающим и не ограничивает заявленное изобретение точной формой, раскрытой в данном описании. Модификации и варианты исполнения могут быть произведены в свете приведенного выше описания или могут быть получены при практическом применении изобретения. Например, хотя в приведенном выше описании и на чертежах показано использование гидравлического двигателя 506 для привода регулировочного гаечного узла 304, другие типы моторов, применяемые для вращения механически сопряженных компонентов, например, пневматический мотор или электрический мотор, можно также использовать для привода регулировочного гаечного узла 304, предложенного в изобретении. Кроме того, хотя в выше проиллюстрированных примерах осуществления показан узел трубного ключа, смонтированный на С-образной головке сборки опоры, содержащей удлинитель, узел трубного ключа может быть также вывешен над устьями скважин и шурфами для двух трубок с использованием подвесных систем, например, трехэлементая система подвеса или другие известные системы подвеса, используемые в промышленности для подвешивания узлов трубных ключей или узлов приводных трубных ключей над устьями скважин или шурфами для двухтрубок. Кроме того, приводные челюсти трубных ключей или трубные ключи согласно изобретению могут продаваться отдельно, как часть узла трубного ключа или как часть системы, содержащей и опору или подвесную систему, и узел трубного ключа, которая может содержать или не содержать трубный механический ключ. Формулой изобретения и ее эквивалентами определен объем изобретения.

Изобретение относится к оборудованию, используемому для технического обслуживания и ремонта нефтяных и газовых скважин, а именно относится к механизированным трубным ключам. Техническим результатом является создание трубного ключа, обеспечивающего сокращение времени на свинчивание/развинчивание соединения труб и повышение безопасности при выполнении операций за счет уменьшения контактов оператора с ключом. Предложена система приводных челюстей трубного ключа для свинчивания или развинчивания соединений труб, в которой челюсть содержит головку, приспособленную к введению крюка, содержащего хвостовик, снабженный на конце резьбой. При этом резьбовой конец хвостовика зацеплен на конце головки, противоположной крюкообразному концу, с регулировочным гаечным узлом, снабженным гидравлическим приводом. Причем регулировочный гаечный узел может быть введен в действие с помощью блока управления для обеспечения возможности автоматического разведения и сведения челюсти трубного ключа для обхвата труб различных диаметров. 4 н. и 16 з.п. ф-лы, 16 ил.

1. Система приводных челюстей трубного ключа для зацепления и приложения больших крутящих моментов к секции трубы с резьбовым соединением, содержащая, по меньшей мере, один трубный ключ, содержащий головку и крюк для зацепления трубы, регулировочный гаечный узел для выдвигания и задвигания крюка трубного ключа относительно головки, двигатель, механически соединенный с регулировочным гаечным узлом для привода узла для выдвигания и задвигания крюка трубного ключа, и блок управления, связанный с двигателем, для управления двигателем.

2. Система приводных челюстей трубного ключа по п.1, в которой двигатель является гидравлическим двигателем.

3. Система приводных челюстей трубного ключа по п.1, в которой блок управления содержит пользовательский интерфейс.

4. Система приводных челюстей трубного ключа по п.1, в которой крюк содержит хвостовик, снабженный на конце резьбой, головка содержит отверстие для введения в него конца хвостовика крюка и обеспечения прохождения пропуска конца хвостовика через отверстие в головке для зацепления резьбового конца хвостовика с регулировочным гаечным узлом.

5. Система приводных челюстей трубного ключа по п.1, в которой регулировочная сборка гайки шарнирно соединена с головкой.

6. Система приводных челюстей трубного ключа по п.1, в которой крюк шарнирно соединен с головкой.

7. Система приводных челюстей трубного ключа по п.1, дополнительно содержащая узел трубного ключа, содержащий, по меньшей мере, три трубных ключа.

8. Система приводных челюстей трубного ключа по п.7, дополнительно содержащая сборку опоры, содержащую колонну, удлинитель, проходящий с одного конца от колонны и содержащий несущий блок, прикрепленный к удлинителю на его противоположном конце, для поддержания узла трубного ключа.

9. Приводная челюсть трубного ключа для зацепления и приложения больших крутящих моментов к секции трубы с резьбовым соединением, содержащая крюк, имеющий хвостовик, снабженный на конце резьбой, головку, приспособленную для введения в нее резьбового конца хвостовика крюка, и регулировочный гаечный узел, снабженный гидравлическим приводом, зацепляющуюся с резьбовым концом хвостовика крюка и расположенную на конце головки, противоположного крюку.

10. Приводная челюсть трубного ключа по п.9, в которой регулировочный гаечный узел шарнирно соединен с головкой.

11. Приводная челюсть трубного ключа по п.10, в которой крюк шарнирно соединен с головкой.

12. Автоматически регулируемый узел трубного ключа для зацепления и приложения больших крутящих моментов к секции колонны с резьбовым соединением, содержащий сборку опоры, имеющую колонну, удлинитель, проходящий с одного конца от колонны и содержащий несущий блок, прикрепленный к удлинителю на его противоположном конце, и множество трубных ключей, содержащих головку, крюк и регулировочную сборку гайки, снабженную гидравлическим приводом, для выдвигания и задвигания крюка трубного ключа относительно головки.

13. Узел трубного ключа по п.12, в котором крюк содержит хвостовик, снабженный на конце резьбой, головка содержит отверстие для введения в него конца хвостовика крюка и обеспечения прохождения конца хвостовика через отверстие в головке для зацепления резьбового конца хвостовика с регулировочным гаечным узлом.

14. Узел трубного ключа по п.12, в котором регулировочный гаечный узел шарнирно соединен с головкой.

15. Узел трубного ключа по п.12, в котором крюк шарнирно соединен с головкой.

16. Узел трубного ключа по п.12, содержащий, по меньшей мере, три трубных ключа.

17. Способ автоматического регулирования размера зева приводной челюсти трубного ключа для обхвата труб различных диаметров, содержащий следующие этапы:
введение в действие гидравлического двигателя для привода регулировочного гаечного узла, зацепленной резьбовым соединением с крюком, шарнирно соединенным с узлом головки, для выдвигания крюка относительно головки;
введение в действие гидравлического двигателя в обратном направлении для задвигания крюка относительно головки, при введении трубы в зев приводной челюсти трубного ключа;
выключение гидравлического двигателя при достижении контакта крюка и головки с трубой;
реверсирование направления вращения гидравлического двигателя на предварительно определенный период времени для отведения крюка и головки от трубы на предварительно определенное расстояние до приложения крутящего момента к трубе.

18. Способ по п.17, в котором применяют пневматическое логическое устройство для определения предварительно определенного периода времени реверсирования направления вращения гидравлического двигателя для данного диаметра трубы.

19. Способ по п.17, в котором крюк и головка содержат держатели зажимных губок, и направление вращения гидравлического двигателя реверсируют при контакте держателей зажимных губок, контактирующих с трубой.

20. Способ по п.17, в котором этапы выполняются с помощью блока управления, вводимого в действие пользователем.