EA003648B1 - Устройство для фрикционного взаимодействия с трубными изделиями - Google Patents

Abstract

Описан разъемный завинчивающий и затягивающий трубный ключ (1) для свинчивания и затягивания трубных соединений (22 и 23). Ключ (1) содержит внешний неподвижный корпус (5), который имеет ведущую шестерню (9), соединенную с приводным двигателем, и внутренний поворотный корпус (2), который имеет ведомый зубчатый венец (3), находящийся в зацеплении с ведущей шестерней (9). Ключ (1) содержит некоторое количество элементов (4) для взаимодействия с трубой (20). Внутренний корпус (2) имеет внутреннюю механическую или гидравлическую систему (8), выполненную с возможностью приведения в действие указанных элементов (4) для взаимодействия с трубой. Каждый из этих элементов (4) представляет собой упругое несжимаемое тело, конфигурация которого может подвергаться деформации, и имеет создающую трение поверхность (4F) для непосредственного взаимодействия с трубой (20).

Description

Данное изобретение относится к устройству для захвата и фиксации труб, содержащему средства последующего ослабления захвата и включающему разъемный корпус для продвижения по направлению к трубе и ее охвата, при этом в корпусе находится и удерживается, по меньшей мере, один захватный элемент, выполненный с возможностью приведения в действие с обеспечением его прижатия с большой силой к трубе.

Изобретение также относится к разъемному завинчивающему и затягивающему ключу для свинчивания и докрепления трубных соединений, содержащему внешний неподвижный корпус, который имеет ведущую шестерню, соединенную с приводным двигателем, внутренний поворотный корпус, который имеет ведомый зубчатый венец, находящийся в зацеплении с ведущей шестерней, и, по меньшей мере, один элемент для захвата трубы, причем внутренний корпус имеет внутреннюю механическую или гидравлическую систему, выполненную с возможностью приведения в действие указанного, по меньшей мере, одного захватного элемента.

Завинчивающий и затягивающий трубный ключ этого вида известен из патента Норвегии № 163973, автором которого является автор настоящего изобретения.

При бурении скважин на нефть и газ на суше или на море используются бурильные трубы длиной примерно 9,5 или 14 м и диаметром 90-170 мм. Скважины в процессе бурения укрепляют и уплотняют обсадными трубами длиной приблизительно 12 м и диаметром 178-510 мм. Все эти трубы имеют резьбовые соединения, которые необходимо докреплять при относительно высоком крутящем моменте, чтобы обеспечить герметичность этих соединений и не допустить их ослабления при вращении. Это означает, что одной из основных операций во время бурения скважин является докрепление и разъединение трубных соединений. В целом, на каждую скважину приходится примерно от 2 до 4000 таких соединительных операций. В течение последних 25 лет для этих операций используют механизированные инструменты.

Существующее механизированное оборудование для соединения труб во время бурения можно разделить на две категории - приводные ключи для бурильных труб и приводные ключи для обсадных труб. Эти ключи представляют собой инструменты двух различных видов, из которых приводной ключ для бурильных труб постоянно установлен на бурильной площадке, а приводной ключ для обсадных труб собирают каждый раз, когда обсадную колонну необходимо опустить в скважину. При существующей технологии такое оборудование должно создаваться индивидуально; обсадные трубы имеют тонкостенные соединения, в то время как бурильные трубы имеют толстостенные соединения. Для сборки и разборки оборудования при опускании обсадных труб требуется ручная работа в существенном объеме.

Традиционный приводной ключ для бурильных труб содержит два основных узла верхний узел с приводными роликами для завинчивания по резьбе, пока эта операция происходит свободно (завинчивающий ключ), и нижний узел, который докрепляет соединение с заданным крутящим моментом. Это означает, что полный рабочий цикл состоит из многих операций, которыми нужно последовательно управлять. Прежде всеми этими функциями управляли вручную, но в последние годы они почти все управляются посредством систем программируемой логики (РЬ8). Механическая конструкция в целом не подходит для автоматического последовательного управления, которое во многих случаях приводит к тому, что последовательность рабочих операций в автоматизированных механизмах осуществляется медленнее, чем в механизмах, управляемых вручную.

Данный приводной ключ представляет совершенно новую концепцию трубного ключа, которая объединяет завинчивающий ключ и затягивающий ключ в один блок и при которой элементы ключа являются легко заменяемыми, вследствие чего с помощью этого же механизма можно также пропускать и обсадные трубы.

Согласно данному изобретению предложены устройство для захвата и фиксации трубы и разъемный завинчивающий и затягивающий трубный ключ упомянутого вначале типа, причем устройство отличается тем, что указанный, по меньшей мере, один захватный элемент представляет собой упругое несжимаемое тело, которое может подвергаться деформации, и имеет радиально внутреннюю поверхность, создающую трение, для непосредственного взаимодействия с трубой.

В одном варианте выполнения корпус образован двумя основными элементами, расположенными с возможностью перемещения по отношению друг к другу и приложения силы к упругому несжимаемому телу, так что это тело подвергается деформации с расширением, по существу, в радиальном внутреннем основном направлении.

В предпочтительном случае упругое несжимаемое тело может быть выполнено из резинового эластомерного материала, который заключает в себе объем геля или жидкости.

Упругое несжимаемое тело может быть упрочнено, например армировано сталью.

Создающая трение поверхность соответственно может включать твердые частицы, предпочтительно из твердого металла, заделанные в эластомерный материал при вулканизации.

В одном варианте выполнения один из указанных основных элементов корпуса установлен с возможностью перемещения в осевом направлении относительно трубы ко второму основному элементу и приложения зажимаю щей силы к упругому несжимаемому телу с обеспечением его деформации, направленной радиально внутрь.

В подходящем случае указанное осевое перемещение между основными элементами корпуса и зажимающую силу могут вызывать гидравлические цилиндры.

В завинчивающем и затягивающем ключе указанное, по меньшей мере, одно упругое несжимаемое тело приводится в действие посредством внутренней гидравлической системы, которая, в свою очередь, приводится в действие путем поворота этого завинчивающего и затягивающего ключа.

Предлагаемые устройство для захвата и фиксации трубы и разъемный завинчивающий и затягивающий ключ могут быть встроены в качестве составных элементов в единый комбинированный приводной трубный ключ, описанный более подробно в находящейся одновременно на рассмотрении международной заявке на патент РСТ/ΝΟ 99/00399, озаглавленной Комбинированный приводной трубный ключ со встроенным устройством для отсасывания бурового раствора и смазывания резьбы.

Другие дополнительные цели, особенности и преимущества станут понятными из последующего описания одного из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которое приведено с иллюстративной целью, не ограничивает объем притязаний и рассматривается в контексте с приложенными чертежами, где фиг. 1А и 1В схематически изображают соответственно в продольном разрезе и на виде сверху завинчивающий и затягивающий ключ в нерабочем состоянии;

фиг. 2А и 2В схематически изображают показанный на фиг. 1А и 1В ключ в рабочем состоянии;

фиг. 3 схематически изображает продольный разрез завинчивающего и затягивающего ключа и расположенного снизу придерживающего ключа в положении свинчивания трубных соединений;

фиг. 4 схематически изображает продольный разрез показанных на фиг. 3 ключей в положении после свинчивания трубных соединений;

фиг. 5 схематически изображает показанные на фиг. 1-4 ключи, используемые для обсадной трубы диаметром 500 мм;

фиг. 6 схематически изображает показанные на фиг. 1-4 ключи, используемые для обсадной трубы диаметром 300 мм;

фиг. 7 в аксонометрии схематически изображает соответствующий захватный элемент, фиг. 8 изображает поперечное сечение захватного элемента, показанного на фиг. 7; и фиг. 9 в большем масштабе изображает элемент, обведенный на фиг. 8 рамкой.

Фиг. 1А и 1В изображают завинчивающий и затягивающий трубный ключ 1. Ключ 1 имеет внешний неподвижный корпус 5 и внутренний поворотный корпус 2. Во внешнем корпусе 5 имеется ведущая шестерня 9, которая находится в зацеплении с зубьями ведомого зубчатого венца 3, присоединенного к поворотному корпусу 2 и удерживаемого в нем. Внешний неподвижный корпус 5, внутренний поворотный корпус 2 и ведомый зубчатый венец 3 являются разъемными, т.е. они могут быть разомкнуты для продвижения в направлении трубы в разомкнутом состоянии и затем сомкнуты для охвата трубы. Оба корпуса 5, 2 и венец 3 имеют разделительную линию, по которой они могут быть разомкнуты. Перед размыканием корпусов 5, 2 и венца 3 соответствующие разделительные линии необходимо совместить. Это означает, что внутренний корпус 2 и венец 3 должны быть повернуты по отношению к внешнему корпусу 5, чтобы их разделительная линия Ό совпала с разделительной линией этого корпуса 5.

Во внутреннем корпусе 2 расположен и удерживается, по меньшей мере, один захватный элемент 4, который представляет собой упругое несжимаемое тело. Это означает, что он не может изменять свой объем, а только лишь форму. Захватные элементы 4 описаны более подробно ниже со ссылкой на фиг. 7-9. Корпус 2 включает также зажимную часть 6, присоединенную к гидравлической системе, которая может приводить в действие гидравлические зажимные цилиндры 7, действующие непосредственно на зажимную часть 6. Захватные элементы 4 в осевом и радиальном направлениях ограничены снаружи соответственно корпусом 2 и зажимной частью 6, так что деформация может происходить, по существу, только в радиальном внутреннем направлении. Путем приведения гидравлической системы в действие к цилиндрам 7 прикладывается давление, которое прижимает часть 6 в осевом направлении к захватным элементам 4, для которых корпус 2 является упором. Таким образом, указанные несжимаемые тела могут расширяться только в одну сторону, а именно радиально внутрь по направлению к трубе. Эта обращенная внутрь поверхность имеет поверхность 4Р трения. Обращенная в наружном направлении поверхность также может иметь созданную обычным образом поверхность трения, возможно, шипы или зубья, которые находятся в зацеплении с соответствующими шипами или зубьями в корпусе 2.

Фиг. 2А и 2В показывают ключ 1 в рабочем состоянии (без трубы) и иллюстрируют деформацию, которая происходит в захватных элементах 4. Между зубчатым венцом 3 и корпусом 2 расположены два насосных цилиндра 8, диаметрально друг против друга. Насосные цилиндры 8 с одного конца удерживаются зубчатым венцом 3, а с противоположного конца поворотным корпусом 2. Насосные цилиндры 8 обеспечивают соединение между зубчатым венцом 3 и корпусом 2. Однако между венцом 3 и корпусом 2 присутствует степень вращательной подвижности, которая ограничена длиной хода насосных цилиндров 8. Венец 3 поворачивается посредством ведущей шестерни 9, которая приводится в движение гидравлическим двигателем (не показан).

В корпусе 2 имеются четыре цилиндра 7, называемые зажимными цилиндрами, которые могут воздействовать на зажимную часть 6, которая, в свою очередь, прикладывает давление к захватным элементам 4. Четыре цилиндра 7 находятся в гидравлической связи с насосными цилиндрами 8 в замкнутой гидравлической системе.

При повороте ведущей шестерни 9 и, следовательно, зубчатого венца 3 насосные цилиндры 8 сжимаются. Трение между зажимной частью 6 и корпусом 2 превышает трение между зубчатым венцом 3 и корпусом 2, так что насосные цилиндры 8 оказываются полностью сжатыми, прежде чем зажимная часть 6 вовлекается во вращение. Это обуславливает то, что к цилиндрам 7 прикладывается давление, соответствующее сжатию насосных цилиндров 8. Данное обстоятельство проиллюстрировано на фиг. 2А и 2В. Перемещение цилиндров 7 приводит, в свою очередь, к тому, что захватные элементы 4 сжимаются и приобретают меньший внутренний диаметр, в результате чего возникает зажимная сила, действующая на трубу.

Фиг. 3 изображает ключ 1, который удерживает бурильную трубу 20, подготовленную для завинчивания в гнездовой конец второй бурильной трубы 21. Вторая бурильная труба удерживается устройством для захвата и фиксации трубы, в дальнейшем называемым придерживающим ключом 10. Изображенный ключ 10 представляет собой простейший вариант, заключающий в себе достоинства данного изобретения. Ключ 10 содержит неподвижный разъемный корпус 15, имеющий основную часть 12 и зажимную часть 16, которые выполнены с возможностью осевого перемещения относительно трубы 21 друг к другу. В представленном варианте выполнения изобретения именно зажимная часть 16 выполнена с возможностью смещения посредством гидравлического цилиндра 17, а основная часть 12 действует как упор. Захватные элементы 14 под воздействием зажимной части 16 сжимаются и прижимаются радиально внутрь к бурильной трубе 21. Радиально внутренняя поверхность 14Е трения захватных элементов 14 обеспечивает непосредственное взаимодействие с бурильной трубой 21. Ключ 10, включая все элементы, может быть разомкнут по разделительной линии для продвижения к трубе и потом сомкнут для охвата бурильной трубы 21.

Фиг. 4 иллюстрирует ситуацию, при которой стержневой конец бурильной трубы 20 ввинчен в гнездовой конец бурильной трубы 21 посредством ключа 1. В ходе такой операции свинчивания ключи 1, 10 перемещаются в осевом направлении друг к другу (обычно ключ 1 перемещается к ключу 10). Зажимные цилиндры 17 приводятся в действие обычной гидравлической системой, которая подает давление к их поршням.

Фиг. 5 иллюстрирует другую ситуацию, когда завинчивающий и затягивающий ключ 1' другой конструкции используется на обсадной трубе 30 диаметром 20 дюймов (50,8 см), которая должна быть завинчена в соответствующую обсадную трубу 31. Обсадная труба 31 фиксируется придерживающим ключом 10' другой конструкции. Конфигурация и момент силы ключа 1' таковы, что он, в частности, подходит для приложения крутящего момента докрепления к обсадным трубам.

Фиг. 6 иллюстрирует еще одну ситуацию, когда завинчивающий и затягивающий ключ 1 другой конструкции используется на обсадной трубе 40 диаметром 13³/₈ дюймов (34 см), которая должна быть завинчена в соответствующую обсадную трубу 41. Обсадная труба 41 фиксируется придерживающим ключом 10 еще одной конструкции. Конфигурация и момент силы ключа 1 таковы, что он, в частности, подходит для приложения крутящего момента докрепления к такой обсадной трубе 40 меньшего диаметра.

Фиг. 7 изображает вариант выполнения захватного элемента 4, а также иллюстрирует соответствующий захватный элемент 14 придерживающего ключа 10. Однако здесь описан только захватный элемент 4 завинчивающего и затягивающего ключа. Один целый захватный элемент собирается воедино из двух его показанных половин. Соответствующие половины элемента могут быть шарнирно соединены в одной точке, но непременно с возможностью размыкания для возможности продвижения к трубам 20, 21; 30, 31; 40, 41 и их охвата. Как отмечено выше, захватные элементы 4, 14 являются и упругими, и несжимаемыми. Когда элементы испытывают нагрузку, они не изменяют свой объем, а только подвергаются деформации. Внутренняя поверхность 4Е предназначена для взаимодействия с трубой. Внешняя поверхность 48 находится в корпусе 5, 15 и создает фрикционное взаимодействие с его внутренней поверхностью.

Как показано на фиг. 8, захватный элемент 4 может быть образован внешней оболочкой, заключающей в себе гель О или жидкость. Один пример более детального строения оболочки 11 показан на фиг. 9. Оболочка 11 показана в виде слоистого материала, имеющего внутренний слой 11А из резины, заделанный упрочняющий слой 11В со стальной прокладкой (как вариант с балатой) и внешний фрикционный слой 11С из резины с заделанными и выступающими твердыми частицами 13, например частицами твердого металла.

Следует понимать, что конструкция и конфигурация захватных элементов 4, 14 могут допускать много вариантов. Однако существенным является то, что они выполнены в виде упругих несжимаемых тел. Например, эти элементы могут также иметь частицы 13, заделанные во внешнюю захватную поверхность 48, которая примыкает к корпусу 5, или во всю внешнюю поверхность элемента. В особых случаях может также оказаться необходимым дополнительно увеличить трение, например, путем создания шипов или зубцов внутри корпуса 5 и соответственно зубцов на радиально внешней поверхности 48 захватных элементов 4, 14.

Claims (10)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство (10) для захвата и фиксации трубы (21), содержащее средства последующего ослабления захвата и включающее разъемный корпус (15) для продвижения по направлению к трубе (21) и ее охвата, при этом в корпусе (15) находится и удерживается, по меньшей мере, один захватный элемент (14), выполненный с возможностью приведения в действие с обеспечением его прижатия с большой силой к трубе (21), отличающееся тем, что указанный, по меньшей мере, один захватный элемент (14) представляет собой упругое несжимаемое тело, которое может подвергаться деформации, и имеет радиально внутреннюю поверхность (14Е), создающую трение, для непосредственного взаимодействия с трубой (21).
2. 2. Разъемный завинчивающий и затягивающий трубный ключ (1) для свинчивания и докрепления трубных соединений (22, 23), содержащий внешний неподвижный корпус (5), который имеет ведущую шестерню (9), соединенную с приводным двигателем, внутренний поворотный корпус (2), который имеет ведомый зубчатый венец (3), находящийся в зацеплении с ведущей шестерней (9), и, по меньшей мере, один элемент (4) для захвата трубы (20), причем внутренний корпус (2) имеет внутреннюю механическую или гидравлическую систему (8), выполненную с возможностью приведения в действие указанного, по меньшей мере, одного захватного элемента (4), отличающийся тем, что указанный, по меньшей мере, один захватный элемент (4) представляет собой упругое несжимаемое тело, которое может подвергаться деформации, и имеет радиально внутреннюю поверхность (14Е), создающую трение, для непосредственного взаимодействия с трубой (20).
3. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что корпус (5; 15) образован двумя основ ными элементами (2; 12 и 6; 16), расположенными с возможностью перемещения по отношению друг к другу и приложения силы к указанному, по меньшей мере, одному упругому несжимаемому телу (4, 14), так что это тело (4, 14) подвергается деформации с расширением, по существу, в радиальном внутреннем основном направлении.
4. 4. Устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что указанное, по меньшей мере, одно упругое несжимаемое тело (4; 14) содержит резиновый эластомерный материал, заключающий в себе объем геля или жидкости.
5. 5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что упругое несжимаемое тело (4; 14) упрочнено, например армировано сталью.
6. 6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что создающая трение поверхность (4Е; 14Е) включает твердые частицы (13), предпочтительно из твердого металла, заделанные в эластомерный материал при вулканизации.
7. 7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что упругое несжимаемое тело (4; 14) содержит внешнюю оболочку (11) в виде слоистого материала, включающего внутренний слой (11А) из резины, заделанный упрочняющий слой (11В) и внешний фрикционный слой (11С).
8. 8. Устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что один из указанных основных элементов (6; 16) корпуса (5; 15) установлен с возможностью перемещения в осевом направлении относительно трубы (20; 21) ко второму основному элементу (2; 12) и приложения зажимающей силы к указанному, по меньшей мере, одному упругому несжимаемому телу (4; 14) с обеспечением его деформации, направленной радиально внутрь.
9. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что осевое перемещение между основными элементами (2; 12 и 6; 16) корпуса (5; 15) и зажимающую силу вызывают гидравлические цилиндры (7; 17).
10. 10. Устройство по любому из пп.2-9, отличающееся тем, что в завинчивающем и затягивающем ключе (1) указанное, по меньшей мере, одно упругое несжимаемое тело (4) приводится в действие посредством внутренней гидравлической системы (8), которая приводится в действие путем поворота этого завинчивающего и затягивающего ключа (1).