АВТОМАТИЧЕСКИЙ СТАЦИОНАРНЫЙ БУРОВОЙ КЛЮЧ Советский патент 1973 года по МПК E21B19/16 

Известен стационарный буровой ключ для свинчивания и развинчивания бурильных и обсадных труб, состоящий из двух расположенных в одном блоке трубозажимных устройств, редуктора, двигателя и приспособления для подвода ключа к трубе и обратно.

Предлагаемый механизм для автоматизации завинчивания и развинчивания бурильных и обсадных труб отличается от известного тем, что, с целью получения максимального крутящего момента на трубе, необходимого для раскрепления и закрепления труб, значительно превосходящего по своей величине крутящий момент, получаемый от двигателя, используется инерционный (маховой) момент всех вращающихся масс ключа при одновременном ограничении этого момента муфтой, заключенной в маховике ключа. Кроме того, при использовании ключа устраняются боковые усилия на трубу и осуществляется принудительное зажатие замка трубы с помощью силовых цилиндров, обеспечивающих предварительное зажатие без пробуксовок и износа сухарей. Отличием конструкции является также применение устройства, обеспечивающего быстрое и точное совмещение выреза вращающихся деталей трубозажимного устройства с корпусом ключа для отвода последнего от трубы.

Описываемый механизм позволяет автоматизировать весь цикл работы по свинчиванию и развинчиванию бурильных труб, включая закрепление и раскрепление, с дистанционным управлением, при значительно меньшем его габарите и весе, меньшей установленной мощности и большей надежности в эксплуатации. Кроме того, механизм дает возможность использовать ключ на двуствольных буровых, а в качестве привода для вращения трубы (свечи) - двигатель вне зависимости от вида энергии (электрической, пневматической или гидравлической).

На фиг. 1 изображен предлагаемый ключ, вид сбоку; на фиг. 2 - разрез по верхнему корпусу и промежуточному уравнительному диску трубозажимного устройства, вид сверху; на фиг. 3 - продольный разрез ключа; на фиг. 4 - боковой разрез ограничительной муфты маховика.

Автоматический стационарный буровой ключ устанавливается на буровой около ротора. Он состоит из неподвижной колонны 1, каретки 2 и блока ключа 3. Неподвижная колонна жестко прикрепляется к основанию буровой или к ротору.

Блок ключа является механизмом, с помощью которого производится свинчивание и развинчивание бурильных или обсадных труб. С помощью силовых цилиндров 4 двойного действия, прикрепленных к каретке, блок ключа на направляющих полозьях 5 перемещается вдоль, каретки к центру скважины и обратно.

Блок ключа состоит из корпуса 6, на котором смонтировано трубозажимное устройство; пружин 7, вмонтированных в два бойка 8; двух пар вкладышей 9, роликов 10, толкателей 11, пружин 12, квадратной втулки 13, фиксаторных пальцев 14, поводка 15, штока 16, подвижного штока 17, пары стальных шариков - нижнего 18 и верхнего 19, нижнего упора 20, нижнего челюстедержателя 21, пары нижних секторов (челюстей) 22, втулки 23, главной шестерни 24, промежуточного уравнительного диска 25, четырех стаканчиков 26, верхнего «плавающего» корпуса 27, хвостовика 28 верхнего челюстедержателя, верхнего челюстедержателя 29, пары верхних секторов (челюстей) 30, дугообразной пружины 31, верхнего упора 32, стального шарика (шарикоподшипника) 33 с пружиной 34, ведущих пальцев 35, роликов 36, стопора 37, силовых цилиндров 38 храпового устройства и стопора совмещения 39, двигателя 40, ограничительной муфты-маховика 41, шестеренчатого понизительного редуктора, который представлен парой внутренних шестерен 42, центральной шестерней 43 и двумя паразитными (промежуточными) шестернями 44.

Как верхнее, так и нижнее зажимные приспособления состоят в основном из пары секторов (челюстей) с роликами, свободно вставленными в челюстедержатели 29 и 21 и удерживаемыми от выпадения дугообразной пружиной 31, а также из двух пар вкладышей 9 со спиральной поверхностью. Поворот нижнего челюстедержателя осуществляется с помощью вспомогательного силового цилиндра двойного действия 45 через поводок 15, жестко скрепленный с челюстедержателем 21. Поворот верхнего челюстедержателя относительно верхнего корпуса 27 осуществляется во время вращения «на ходу» с помощью храпового устройства.

Храповое устройство представляет собой пару стальных шариков 18 и 19, из которых верхний 19 жестко закреплен во втулке 23, а нижний - в подвижном штоке 17, вставленном в нижний челюстедержатель 21. Подвижной шток 17 поднимается вверх штоком 16 силового цилиндра 38. Нажатие может быть осуществлено с помощью пружины или давлением от поршня силового цилиндра.

Для установки и фиксации верхнего челюстедержателя 29 в среднем (нейтральном) положении он поднимается двумя бойками 8 с вмонтированными в них пружинами 7 и дополнительно стопорится фиксатором, представляющим собой стальной шарик 33 с пружиной 34. Поворот челюстедержателей в одну из сторон можно ограничить включением фиксаторных пальцев, препятствующих перемещению одного из бойков 8 у верхнего корпуса и фиксаторных пальцев 14 у нижнего корпуса, препятствующих повороту поводка 15.

Верхний корпус стоит на четырех стаканчиках 26 с вмонтированными в них пружинами, которыми опирается на промежуточный уравнительный диск 25, лежащий на главной шестерне 24. Верхний корпус может перемещаться в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно главной шестерни. Одно перемещение совершается за счет зазоров между ведущими пальцами 35 и продолговатыми окнами самого корпуса, а другое - за счет зазоров между пальцами квадратной втулки 13 главной шестерни и продолговатыми окнами промежуточного диска 25. Благодаря такой конструкции верхний корпус 27 самоустанавливается по трубе, и одновременно с этим передача крутящего момента верхнему корпусу и трубе передается парой сил.

Верхний корпус 27 относительно промежуточного уравнительного диска под действием пружины 12 и толкателей 11 постоянно стремится сместиться в сторону выреза. В верхних и нижних корпусах трубозажимного устройства имеются упоры 20 и 32, которыми ограничивается перемещение корпусов относительно трубы. Вращение верхнего корпуса совершается с помощью главной шестерни через промежуточный уравнительный диск. Главная шестерня вращается на роликах 36, размещенных в корпусе 6 блока ключа.

Для автоматической остановки и фиксации главной шестерни в среднем нейтральном положении по окончании операций завинчивания и развинчивания трубозажимное устройство имеет стопор совмещения 39. Стопор совмещения состоит из стопора 37, поджимаемого вверх силовым цилиндром при его включении. Стопор под действием силового цилиндра в процессе совмещения главной шестерни заскакивает только в центральный вырез, сделанный в шестерне.

Вращение главной шестерни 24 осуществляется от двигателя 40 через ограничительную муфту-маховик 41, пару внутренних шестерен 42 редуктора, центральную шестерню 43 и две паразитные (промежуточные) шестерни 44.

Ограничительная муфта-маховик состоит в основном из двух частей: полого вала 46, соединяющего вал двигателя с валом шестерни 42 блока ключа и корпуса 47 маховика. Корпус маховика может вращаться относительно вала на двух упорных шарикоподшипниках 48.

Сцепление маховика и вала между собой осуществляется стальными шариками (шарикоподшипниками) 49 и 50. Одна половина шариков равномерно расположена по окружности в диске вала 46 неподвижно. Такое же количество шариков и также по окружности помещено в вертикальных каналах корпуса маховика. На верхние шарики 50 передается усилие пружин через толкатели 51. Все пружины поджаты с определенным усилием гайкой 52. При включенном положении шарики одной половины муфты располагаются между шариками другой половины. При крутящих моментах, превосходящих величину регулировки, шарики 50 верхней половины муфты утапливаются внутрь каналов, сжимая пружины, при этом происходит поворот корпуса маховика относительно вала.

Для передачи разных по величине максимальных крутящих моментов в зависимости от направления вращения каналы в корпусе маховика просверлены под углом, благодаря чему в одну сторону (при развинчивании) передается больший момент, в другую (при завинчивании) - меньший.

Для использования на буровых скважинах двуствольного бурения ключ может принудительно поворачиваться вместе с кареткой вокруг неподвижной колонны. Поворот ключа может быть осуществлен устройством (на чертеже не показано), представляющим собой ползун, перемещаемый под действием силового цилиндра в вертикальном пазу трубы, ролик которого перемещается по спиральной (винтовой) прорези колонны, или устройством (на чертеже не показано), состоящим из двух силовых цилиндров, соединенных цепью, которая обкатывается по неподвижной звездочке неподвижной колонны.

Для автоматического переноса отвернутой свечи от одной скважины к другой без участия рабочего при двуствольном бурении на верхний корпус трубозажимного устройства может быть установлено приспособление (на чертеже не показано), представляющее собой две подпружиненные створки, которые удерживают отвернутую трубу в трубозажимном устройстве при переносе от одной скважины к другой и раскрываются и закрываются, когда труба соединена с колонной труб при подведении и отводе ключа.

Принцип работы ключа сводится к следующему.

Включением силовых цилиндров 4 ключ подводится к трубе до упора, при этом верхние и нижние секторы (челюсти) разворачиваются и обхватывают свободную трубу (замок). Включением дополнительного силового цилиндра 45 производится поворот нижнего челюстедержателя и зажатие челюстями нижней половины трубы. После этого включается двигатель ключа. При включении двигателя сначала происходит разгон всех вращающихся масс ключа, муфты-маховика, шестерен, валов, главной шестерни с промежуточным уравнительным диском и верхним корпусом, при этом верхние секторы (челюсти) в положении обхвата свободно скользят по поверхности трубы.

Вращение втулки 23 вместе с главной шестерней происходит до тех пор, пока шарики храпового устройства не коснутся друг друга. С этого момента происходит кратковременная остановка втулки и связанного с ней верхнего челюстедержателя. Вращение верхнего корпуса относительно неподвижного челюстедержателя приводит к зажатию трубы секторами (челюстями), которые, скользя роликами по поверхности вкладышей, перемещаются к центру, сжимая трубу. По мере увеличения крутящего момента, передаваемого верхнему корпусу, и реактивного момента, передаваемого нижнему корпусу, обе пары секторов (челюстей) продолжают автоматически усиливать сжатие обеих половин бурильных труб за счет дальнейшего смещения секторов по вкладышам.

Храповое устройство может быть постоянно включенным или включаться с пульта только в момент, необходимый для зажатия трубы после разгона маховых масс. С момента зажатия секторами верхней половины трубы верхний челюстедержатель вращается вместе с верхним корпусом как единое целое.

В момент поворота верхнего корпуса относительно челюстедержателя один из бойков 8 утапливается, сжимая пружину 7, а другой остается на месте.

При свинчивании верхний корпус, сжимая пружины стаканчиков 26, опускается вниз. При развинчивании верхний корпус удерживается на трубе усилием зажатия секторов и поднимается вверх вместе с развинчиваемой трубой.

При свинчивании, в момент закрепления резьбы, а также при развинчивании, в момент раскрепления резьбы, если крутящий момент увеличивается и превосходит величину регулировки муфты, последняя срабатывает, в результате предохраняется резьба труб от излишнего перекрепления при свинчивании (закреплении) и предохраняются детали ключа от поломок в результате возможных перегрузок при развинчивании (раскреплении).

После окончания процесса свинчивания или развинчивания с пульта управления производится одновременное включение двигателя ключа с вращением на низких оборотах в сторону, обратную вращению в предыдущем цикле, с включением силового цилиндра 38, в результате происходит совмещение вращающихся деталей.

Одновременно с этими операциями производится совмещение нижнего челюстедержателя за счет включения вспомогательного силового цилиндра 45 в обратную сторону. После этих операций включением силовых цилиндров передвижения ключа производится отвод ключа от бурильной трубы (центра скважины). Управляют всеми операциями при работе ключа дистанционно, на расстоянии, при помощи двух рукояток пульта управления, причем одной рукояткой обеспечивается одновременное включение двигателя, силового цилиндра, стопора совмещения и силового цилиндра храпового устройства, а включение силовых цилиндров передвижения и зажима нижних секторов (челюстей) - другой рукояткой.

Поворот ключа при его использовании на двуствольной буровой скважине также производится дистанционно, путем управления с пульта. Перевод ключа с одного размера труб на другой производится простой заменой секторов (челюстей) и упоров на соответствующий необходимый размер.

1. Автоматический стационарный буровой ключ для свинчивания и развинчивания бурильных и обсадных труб, состоящий из двух расположенных в одном блоке трубозажимных устройств, редуктора, двигателя и приспособления для подвода ключа к трубе и обратно, отличающийся тем, что, с целью получения максимального крутящего момента на трубе, необходимого для раскрепления и закрепления труб, значительно превосходящего по всей величине крутящий момент двигателя, используется инерционный (маховой) момент всех вращающихся масс ключа, приобретенный в период скольжения верхней захватной части ключа вокруг труб во время разгона и последующего зажима замка «на ходу» за счет стопорного устройства, представляющего собой упор, поджимаемый пружиной или дополнительным силовым цилиндром, включенным постоянно или с пульта.

2. Автоматический ключ по п. 1, отличающийся тем, что, с целью зажатия нижней части трубы (замка) для восприятия реактивного момента, применено поворотное зажимное приспособление, приводимое в действие силовым цилиндром.

3. Автоматический ключ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью подвода ключа к трубе и обратно, применено устройство, состоящее из силовых цилиндров, под действием которых осуществляется горизонтальное перемещение блока ключа по каретке.

4. Автоматический ключ по пп. 1-3, отличающийся тем, что, с целью передачи крутящего момента верхнему замку только парой сил, применено устройство, являющееся промежуточным звеном между верхним корпусом трубозажимного устройства и главной шестерней, представляющее собой диск с тремя пальцами.

5. Автоматический ключ по пп. 1-4, отличающийся тем, что в кинематическую цепь от двигателя к ведущему валу редуктора включено специальное устройство, представляющее собой маховик с подпружиненным шариковым упором, ограничивающим крутящий момент маховика разным по величине, в зависимости от направления вращения при свинчивании и развинчивании, за счет поджатия шариков верхней половины маховика под углом к вертикали.

6. Автоматический ключ по пп. 1-5, отличающийся тем, что, с целью использования ключа при двуствольном бурении, для поворота ключа применена устройство, представляющее собой ползун, перемещаемый под действием силового цилиндра в вертикальном пазу трубы, ролик которого перемещается по спиральной прорези стойки, или цепи, обкатывающейся по неподвижной звездочке стойки под действием двух силовых цилиндров.

7. Автоматический ключ по пп. 1-6, отличающийся тем, что, с целью устранения ручного труда и осуществления автоматического переноса отвернутой свечи от одной скважины к другой при двуствольном бурении с помощью ключа, последний снабжен специальным устройством для захвата трубы, представляющим собой две подпружиненные створки, шарнирно укрепленные на верхнем вращающемся корпусе.

8. Автоматический ключ по пп. 1-7, отличающийся тем, что, с целью фиксации вращающихся частей трубозажимного устройства в нейтральном положении (для удобства и быстроты совмещения) при отводе и заводе ключа на трубу, применено стопорное устройство, представляющее собой упор со скошенными краями, входящий в паз главной шестерни под действием силового цилиндра при малых оборотах.

9. Автоматический ключ по пп. 1-8, отличающийся тем, что, с целью устранения заклинивания секторов (челюстей) на вкладышах, между трущимися поверхностями челюсти и вкладыша введен специальный ролик.