СТАЦИОНАРНЫЙ БУРОВОЙ КЛЮЧ Советский патент 1996 года по МПК E21B19/16 

Изобретение относится к бурению скважин, а именно к стационарным буровым ключам для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений бурильных и обсадных труб.

Цель изобретения уменьшение износа резьбовых соединений за счет компенсации боковых и угловых перемещений свинчиваемых труб и повышение удобства обслуживания и безопасности работы.

На фиг.1 показан общий вид ключа в сборе с силовой колонной (вид сбоку); на фиг. 2 вид по стрелке А на фиг.1; на фиг.3 продольный разрез силового цилиндра и неподвижного опорного ролика; на фиг.4 продольный разрез по качающейся телескопической опоре, датчику-силоизмерителю и коромыслу; на фиг.5 разрез по коромыслу.

Стационарный буровой ключ содержит механизм свинчивания-развинчивания (верхний ключ) 1 с индивидуальным приводом (электрическим, пневматическим или гидравлическим), связанный со стопорным механизмом (нижний ключ) с двумя силовыми цилиндрами 3 и 4, а также качающейся телескопической опорой 5 со встроенным силовым цилиндром 6. Кроме того, нижний ключ 2 посредством каретки 7 связан с механизмом позиционирования 8. Силовые цилиндры 3 и 4 установлены на нижнем ключе с угловым смещением по дуге окружности относительно диаметральной плоскости I-I(рис.2) и в верхней части каждый из них снабжен роликом 9. Рабочая поверхность роликов 9 выполнена биконической с общим малым основанием. На ролики 9 опираются аналогичные ролики 10, установленные на механизме свинчивания 1, при этом оси роликов 9 и 10 взаимоперпендикулярны.

Корпуса силовых цилиндров 3 и 4 своими фланцами 11 опираются на кронштейн 38 стопорного механизма 2. В корпусе каждого силового цилиндра установлена подвижная подпружиненная гильза 12, снабженная фиксатором 13, и неподвижный плунжер 14 с манжетными уплотнениями и каналом для подвода рабочего агента, свободно опирающийся на крышку 15.

Качающаяся телескопическая реактивная опора 5 с встроенным силовым цилиндром 6 представляет собой крестовину 16, шарнирно связанную с хвостовиком 17 стопорного механизма 2, неподвижного плунжера 18 с каналами и уплотнительными манжетами, свободно опирающегося на дно крестовины 16, а также подпружиненной гильзы 19, на которой жестко закреплена обойма 20, в отверстиях прямоугольной выемки которой установлены толкатели 21; между толкателями 21 установлен датчик-силоизмеритель 22, контактирующий, например, с одним из толкателей 21 днищем корпуса, а с другим штоком 23 гидравлического поршня или чувствительного элемента тензометрического датчика. С обоймой 20 посредством пальцев 24 шарнирно соединено коромысло 25, состоящее из двух щеток, стянутых четырьмя осями 26, на которых установлены ролики 27 с желобами. На ролики 27 опирается хвостовая часть механизма свинчивания-развинчивания, связанная с ними через шайбы 28 и консольные пальцы 29, установленные в проушинах хвостовой части механизма свинчивания-развинчивания. Стопорный механизм 2 установлен на каретке 7 механизма позиционирования 8 с возможностью продольного и углового перемещения для самоустановки при зажиме муфты трубы.

Расположение силовых цилиндров, сила упругости их пружин и величине усилия, развиваемая гидравлическими механизмами, связаны соотношением: 2P_пр.с.ц.•C P_пр.т.о.•d и 2P_с.ц.•a P_т.о.•b, где P_пр.с.ц. и P_пр.т.о. соответственно усилие пружины силового цилиндра и пружины телескопической опоры; P_с.ц. и P_т.о. соответственно усилия, развиваемые силовыми цилиндрами 3,4 и 6; С и d соответственно расстояние от оси цилиндров 3,4 и 6 до центра масс механизма свинчивания-развинчивания; а и b соответственно расстояние от оси цилиндров 3,4 и 6 до диаметральной плоскости (оси свинчивания).

Стационарный буровой ключ работает следующим образом.

В процессе спуско-подъемных операций (процесс спуска труб), после фиксации колонны бурильных или обсадных труб в роторе установки, в муфту 30 устанавливается ниппель 31 очередной трубы, механизмы 1 и 2 поднимаются подъемником механизма позиционирования 8 до уровня резьбового соединения. Затем включается трубозажимное устройство (не показано) механизма 2 и осуществляется зажатие нижней муфты. При этом механизм 2 за счет возможности продольного перемещения и поворота относительно оси механизма позиционирования 8 самоустанавливается по муфте.

После зажима муфты, в силовые цилиндры подается рабочий агент, при этом механизм 1 поднимается, поддерживаясь в горизонтальном положении, после чего он захватывает ниппель, и начинается свинчивание. В процессе свинчивания верхняя труба опускается, сжимая рабочий агент в силовых цилиндрах, но т.к. давление сохраняется постоянным, то механизм 1 вместе с верхней трубой "взвешивается". Причем масса механизма свинчивания-развинчивания компенсируется усилием пружины 32; 33, а "взвешивание" трубы осуществляется силовыми цилиндрами 3; 4; 6, снижая при этом осевую нагрузку на резьбу на 80-90%
Известное в технике устройство (см. например, прототип) управления рабочим агентом позволяет осуществлять вытеснение жидкости рабочего агента из цилиндра 3; 4 и 6 по мере опускания трубы, без существенного повышения в них давления. Приведенные выше соотношения усилий пружин и цилиндров обеспечивают горизонтальное перемещение механизма свинчивания-развинчивания 1; линейные и угловые колебания трубы при свинчивании компенсируются перекатыванием роликов 9 и 10, покачиванием раковины 16 на осях 34, коромысла 25 на пальцах 24, а также возможностью неравномерного задавливания гильз 12 и 19 цилиндров 3,4 и 6.

При передаче крутящего момента один из консольных пальцев 29 под действием реактивного момента нажимает на один из толкателей 21, который, в свою очередь, нажимает на корпус датчика 22, шток 23 которого через замкнутый объем жидкости нажимает на другой толкатель 21. Через обойму 20, гильзу 19 и крестовину 16 реактивное усилие передается хвостовику 17 стопорного механизма 2. При этом в замкнутом объеме датчика 22 давление повышается пропорционально крутящему моменту. Это давление через гибкий трубопровод 35 передается на регистратор 36, который может оснащаться регулируемым автоматическим устройством, воздействующим на приводной двигатель 37 для ограничения величины крутящего момента.

При развинчивании (спуск труб) процесс работы ключа в основном аналогичен работе при завинчивании и отличается лишь тем, что подача рабочего агента в цилиндр 3,4 и 6 производится после захвата ниппеля трубозажимным устройством механизма свинчивания-развинчивания 1 и в процессе развинчивания силовые цилиндры 3,4 и 6 осуществляют подъем и "взвешивание" трубы на 80-90%
По окончании спуска или подъема колонны труб на величину одной секции и посадки ее в клиньевой захват в роторе, процесс повторяется с установки обоих механизмов на высоте, соответствующей завинчивания или развинчиванию следующего резьбового соединения.

Таким образом предлагаемый стационарный буровой ключ позволяет осуществлять свинчивание-развинчивание труб с минимальной радиальной и осевой нагрузкой на резьбу, значительно повысить точность контроля крутящего момента при одновременном уменьшении габаритов и повышении обтекаемости корпуса ключа, что весьма существенно, с точки зрения удобства и безопасности работы, если учесть, что ключ имеет замкнутое трубозажимное устройство и постоянно находится на центре скважины.

Снижение нагрузки на резьбу позволит увеличить долговечность бурильного инструмента. Повышение точности измерения крутящего момента позволит свести к минимуму вероятность возникновения аварийных ситуаций, таких, как промыв бурильных замков и негерметичность обсадных колонн.

Использование: свинчивание и развинчивание резьбовых соединений бурильных и обсадных труб. Сущность изобретения: содержит стопорный механизм с кареткой, установленной на силовой колонне, механизм свинчивания-развинчивания, связанный со стопорным механизмом стабилизации в виде силовых гидроцилиндров со стабилизирующим моментом относительно центра свинчивания, расположенных по разные стороны относительно продольной диаметральной плоскости турбозажимной части ключа и качающуюся телескопическую опору с узлом реагирования на изменение крутящего момента. Ключ снабжен дополнительным гидроцилиндром, установленным на качающейся телескопической опоре, и консольными пальцами, жестко закрепленными на механизме свинчивания-развинчивания, силовые гидроцилиндры выполнены в виде подпружиненных гильз с неподвижными плунжерами, а узел реагирования на изменение крутящего момента выполнен в виде двустороннего силоизмерительного датчика для взаимодействия с консольными пальцами, причем механизм свинчивания-развинчивания уравновешен относительно собственного центра масс пружинами гильз силовых гидроцилиндров, а относительно центра свинчивания - давлением рабочего агента в полости силовых гидроцилиндров. Кроме того, опорные поверхности консольных пальцев выполнены сферическими, а силовые гидроцилиндры расположены в пределах габаритов корпуса трубозажимной части. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Стационарный буровой ключ, содержащий стопорный механизм с кареткой, установленной на силовой колонне, механизм свинчивания-развинчивания, связанный со стопорным механизмом посредством механизма стабилизации в виде двух силовых гидроцилиндров со стабилизирующим моментом относительно продольной диаметральной плоскости трубозажимной части ключа, и качающуюся телескопическую опору с узлом реагирования на изменение крутящего момента, отличающийся тем, что, с целью уменьшения износа резьбовых соединений за счет компенсации боковых и угловых перемещений свинчиваемых труб, повышения удобства обслуживания и безопасности работы, он снабжен дополнительным гидроцилиндром, установленным на качающейся телескопической опоре, и консольными пальцами, жестко закрепленными на механизме свинчивания-развинчивания, силовые гидроцилиндры выполнены в виде подпружиненных гильз с неподвижными плунжерами, а узел реагирования на изменение крутящего момента выполнен в виде двустороннего силоизмерительного датчика для взаимодействия с консольными пальцами, причем механизм свинчивания-развинчивания уравновешен относительно собственного центра масс пружинами гильз силовых гидроцилиндров, а относительно центра свинчивания - давлением рабочего агента в полости силовых гидроцилиндров. 2. Ключ по п. 1, отличающийся тем, что опорные поверхности консольных пальцев выполнены сферическими. 3. Ключ по п.1, отличающийся тем, что, с целью снижения габаритов, силовые гидроцилиндры расположены в пределах габаритов корпуса трубозажимной части.