RU2641550C2

RU2641550C2 - Device for stabilizing and holding drill string

Info

Publication number: RU2641550C2
Application number: RU2016125603A
Authority: RU
Inventors: Александр Петрович Предеин; Иван Владимирович Петров; Александр Михайлович Делягин
Original assignee: Акционерное общество "Курганавторемонт"
Priority date: 2016-06-27
Filing date: 2016-06-27
Publication date: 2018-01-18
Also published as: RU2016125603A

Abstract

FIELD: oil and gas industry.

SUBSTANCE: device for stabilizing and holding the drill string comprises a housing, levers hingedly mounted on it each on its axis arms with clamping surrounding surfaces formed thereon, coupled to each other by gear sectors coaxial to the hinges, enabling the symmetrical rotation of the levers in opposite directions. Gearing is made double-row. The teeth of each of the paired rows are mutually displaced along the circumference by half the circumferential pitch.

EFFECT: increase in manufacturability of production.

2 cl, 4 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области бурового оборудования, а именно к оснащению буровых установок, использующихся в сейсморазведке, геологоразведке инженерно-геологических изысканиях, строительстве, бурении скважин на воду и другого назначения.The present invention relates to the field of drilling equipment, namely, to equip drilling rigs used in seismic exploration, geological exploration engineering and geological surveys, construction, water well drilling and other purposes.

Известно зажимное устройство для буровой колонны (а.с. СССР №1195000, опубл. 30.11.85), включающее связанные направляющими зажимные кулачки с рабочими поверхностями и механизм их поступательного перемещения в виде двух оппозитно расположенных гидроцилиндров, соосных друг другу, штоки которых связаны каждый со своим кулачком. Недостатком устройства является отсутствие способности центрировать буровую колонну относительно оси шпинделя вращателя буровой установки, что в случае несовпадения этих осей приводит к вращению с изгибом, преждевременному исчерпанию ресурса циклической прочности колонны, перегрузке подшипников вращателя и их поломкам. Это происходит из-за неопределенности положения кулачков вдоль общей оси штоков гидроцилиндров, поскольку они могут занимать любое произвольное положение между двумя крайними. Аналогичное устройство применяется, например, в конструкции буровой установки УБГ-743-200 производства ООО «Геомаш-Владимир» (http://www.geomash-vladimir.ru/production/drill_rigs/ugb_001/).A clamping device for a drill string (USSR AS No. 1195000, publ. 11/30/85) is known, including clamping cams connected with guides with working surfaces and a mechanism for their translational movement in the form of two opposed hydraulic cylinders aligned with each other, the rods of which are connected each with your cam. The disadvantage of this device is the lack of ability to center the drill string relative to the axis of the spindle of the rotator of the drilling rig, which in case of mismatch of these axes leads to bending rotation, premature exhaustion of the resource of cyclic strength of the column, overload of the rotator bearings and their breakdowns. This is due to the uncertain position of the cams along the common axis of the hydraulic cylinder rods, since they can occupy any arbitrary position between the two extreme ones. A similar device is used, for example, in the design of the UGG-743-200 drilling rig manufactured by Geomash-Vladimir LLC (http://www.geomash-vladimir.ru/production/drill_rigs/ugb_001/).

Известно зажимное устройство для буровой колонны, в установке KB-1- LUTZ KURTH (http.//www.geomash.ru/catalog/drilling_equipment/drilling_of_geothermal_wells/kb_10_lutz_kurth/), содержащее корпус, шарнирно установленные на нем, каждый на своей оси, зажимные рычаги, в виде рычагов второго рода, с образованными на них зажимными цилиндрическими охватывающими поверхностями, а также привод зажимного устройства в виде гидроцилиндра, шток и корпус которого шарнирно соединены с концами рычагов.A clamping device for a drill string is known in the installation KB-1-LUTZ KURTH (http.//www.geomash.ru/catalog/drilling_equipment/drilling_of_geothermal_wells/kb_10_lutz_kurth/), comprising a housing pivotally mounted on it, each clamped on its axis levers, in the form of levers of the second kind, with clamping cylindrical enclosing surfaces formed on them, as well as the drive of the clamping device in the form of a hydraulic cylinder, the rod and body of which are pivotally connected to the ends of the levers.

Его недостатком является неопределенность положения рычагов, связанная с тем, что до тех пор, пока колонна не зажата, рычаги с образованными на них зажимными поверхностями имеют возможность совместного произвольного поворота вправо или влево. Это приводит к несимметричности их положения относительно оси шпинделя вращателя и несовпадению с ней оси скважины. По этой причине буровая колонна (в особенности шнековая в мерзлом грунте), кроме крутящего момента, испытывает знакопеременную изгибающую нагрузку, возникающую при вращении с изгибом. Это снижает срок службы колонны из-за ее поломок, связанных с усталостным разрушением сварных швов. При этом возникает дополнительная нагрузка на направляющие каретки вращателя и подшипники его шпинделя, вызванная упомянутой несоосностью.Its disadvantage is the uncertainty in the position of the levers, due to the fact that until the column is clamped, the levers with the clamping surfaces formed on them have the possibility of joint arbitrary rotation to the right or left. This leads to an asymmetry of their position relative to the axis of the spindle of the rotator and the mismatch of the axis of the well with it. For this reason, the drill string (especially auger in frozen ground), in addition to torque, experiences an alternating bending load that occurs during rotation with bending. This reduces the life of the column due to breakdowns associated with fatigue failure of welds. This causes an additional load on the guide carriages of the rotator and the bearings of its spindle, caused by the mentioned misalignment.

Известно зажимное устройство для буровой колонны - трубодержатель по а.с. SU А1 №1435753 (Гой В.Л.), 30.11.85, включающее корпус, установленные в корпусе, каждый на своей оси, двуплечие рычаги, одни плечи которых оснащены плашками для захвата трубы, а другие связаны между собой тягой, при этом одно из них соединенено с приводом в виде гидроцилиндра, установленного на корпусе.Known clamping device for a drill string - pipe holder on.with. SU A1 No. 1435753 (Goy V.L.), 11/30/85, including a housing installed in the housing, each on its own axis, two shoulders levers, one of which shoulders are equipped with dies for gripping the pipe, while the others are connected by a thrust, while one of which is connected to the drive in the form of a hydraulic cylinder mounted on the housing.

Преимуществом описанного устройства перед предыдущим является то, что в нем исключена неопределенность положения рычагов с расположенными на них зажимными плашками для обеспечения центрирования трубы относительно корпуса. Это достигается благодаря тяге, связывающей рычаги и согласующей их положение относительно оси скважины. Однако конструкция описанного устройства громоздка и некомпактна, его габариты неприемлемы для использования в мобильных буровых установках.The advantage of the described device over the previous one is that it eliminates the uncertainty of the position of the levers with clamping dies located on them to ensure centering of the pipe relative to the housing. This is achieved due to the traction connecting the levers and matching their position relative to the axis of the well. However, the design of the described device is cumbersome and non-compact, its dimensions are unacceptable for use in mobile drilling rigs.

Известно устройство по патенту US 2217072 A (WILSON SUPPLY COMPANI), 08.10.1940, для удержания и центрирования насосно-компрессорной трубы, включающее корпус с рукояткой и шарнирно установленные на нем, каждый на своей оси, рычаги с рукоятками на концах и охватывающими поверхностями для зажимных плашек, взаимодействующих с удерживаемой трубой. Для обеспечения возможности согласованного симметричного поворота рычагов в противоположные стороны они связаны друг с другом зубчатыми секторами, концентричными осям шарниров. Это устройство обеспечивает максимально компактную кинематическую связь между рычагами, по сравнению с предыдущим аналогом, наиболее близко по технической сущности заявленному, и выбрано в качестве его прототипа.A device is known according to the patent US 2217072 A (WILSON SUPPLY COMPANI), 08/10/1940, for holding and centering the tubing, including a housing with a handle and pivotally mounted on it, each on its own axis, levers with handles at the ends and covering surfaces for clamping dies interacting with the holding pipe. To ensure the possibility of coordinated symmetrical rotation of the levers in opposite directions, they are connected to each other by gear sectors, concentric to the axes of the hinges. This device provides the most compact kinematic connection between the levers, in comparison with the previous analogue, which is the closest in terms of the technical essence of the claimed, and is selected as its prototype.

Недостатком прототипа является то, что в положении рычагов, симметричном относительно линии, соединяющей центры зубчатых секторов, расположен зубчатый выступ, а у второго - впадина зубчатого зацепления. Поэтому рычаги являются разноименными узлами, что удваивает номенклатуру сборочных единиц устройства и, кроме того, при трудноразличимых на глаз отличиях, может приводить к браку из-за попадания на сборку одноименных рычагов, вместо разноименных.The disadvantage of the prototype is that in the position of the levers, symmetrical with respect to the line connecting the centers of the gear sectors, there is a gear protrusion, and the second has a depression of gear engagement. Therefore, levers are unlike nodes, which doubles the nomenclature of the assembly units of the device and, in addition, with differences that are difficult to see by eye, can lead to marriage due to falling on the assembly of the same name levers, instead of unlike ones.

Задачей изобретения является устранение этого недостатка. Техническим результатом, достигаемым изобретением, за счет которого решается поставленная задача, является повышение технологичности производства за счет уменьшения номенклатуры сборочных единиц и уменьшения вероятности ошибок на сборке.The objective of the invention is to eliminate this drawback. The technical result achieved by the invention, which solves the problem, is to increase the manufacturability of production by reducing the range of assembly units and reducing the likelihood of errors in the assembly.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для центрирования и удержания буровой колонны, содержащем корпус, шарнирно установленные на нем, каждый на своей оси, рычаги с образованными на них зажимными охватывающими поверхностями, связанные друг с другом посредством зубчатых секторов, соосных шарнирам, обеспечивающих возможность согласованного симметричного поворота рычагов в противоположные стороны, отличием является, то, что зубчатое зацепление выполнено двухвенцовым, при этом зубья каждого из пары венцов смещены по окружности друг относительно друга на половину шага.The problem is solved in that in the known device for centering and holding the drill string, comprising a housing pivotally mounted on it, each on its axis, levers with clamping covering surfaces formed thereon, connected to each other by gear sectors coaxial to the hinges, providing the possibility of coordinated symmetrical rotation of the levers in opposite directions, the difference is that the gearing is made of two-crown gears, while the teeth of each of the pair of crowns are displaced by about a circle relative to each other half a step.

Предложенное решение улучшает технологичность, поскольку правый и левый рычаги являются абсолютно одинаковыми узлами, а не разноименными, и при этом трудноотличимыми друг от друга на глаз, как в прототипе.The proposed solution improves manufacturability, since the right and left levers are absolutely identical nodes, and not opposite, and at the same time are difficult to distinguish from each other by eye, as in the prototype.

Предложенное устройство может быть снабжено механическим приводом, в общем случае выполненным в виде любого источника механической силы. Однако наиболее целесообразным его вариантом является гидроцилиндр, шарнирно соединяющий концы рычагов, поскольку большинство буровых установок имеют гидропривод.The proposed device can be equipped with a mechanical drive, in the General case, made in the form of any source of mechanical force. However, its most appropriate option is a hydraulic cylinder that pivotally connects the ends of the levers, since most drilling rigs have a hydraulic drive.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны: фиг. 1 - устройство для центрирования и удержания буровой колонны, вид сверху с местным разрезом; фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; фиг. 3 - вид рычага, показывающий взаимное смещение зубьев венцов на половину шага; фиг. 4 - вариант устройства с рычагами второго рода.The invention is illustrated by drawings, which show: FIG. 1 - a device for centering and holding the drill string, a top view with a local cut; FIG. 2 is a section AA in FIG. one; FIG. 3 is a view of a lever showing the mutual displacement of the teeth of the crowns by half a step; FIG. 4 - a variant of the device with levers of the second kind.

Устройство для зажима буровой колонны (фиг. 1) содержит корпус 1, установленные в нем, каждый на своей оси 2, рычаги 3, выполненные в виде рычагов первого рода, с образованными на них зажимными цилиндрическими поверхностями 4, охватывающими реборду шнековой буровой колонны 5. На рычагах 3 образованы находящиеся друг с другом в зацеплении зубчатые секторы 6, соосные осям шарниров 2 одноименных рычагов и сопряженные друг с другом в положении, когда рычаги симметричны относительно плоскости, проходящей через оси 2. Зажимные поверхности 4 могут иметь как постоянную величину радиуса кривизны R, близкую к радиусу реборды зажимаемого шнека, так и переменную, что целесообразнее для работы со шнеками разного диаметра. В последнем случае направляющей линией для образования цилиндрической зажимной поверхности 4 могут быть кривые с переменным радиусом, например парабола, гипербола или эллипс (не показаны). Это позволит уменьшить контактные напряжения, возникающие при зажиме шнеков на реборде за счет их усреднения для шнеков разного диаметра и предупредить или существенно уменьшить деформацию их реборды. Для приведения в действие устройство снабжено приводом в виде гидроцилиндра, корпус 7 и шток 8, которого шарнирно связывают концы рычагов 3 друг с другом. Зубчатое зацепление выполнено двухвенцовым (фиг. 2), при этом зубья парных венцов взаимно смещены по окружности на половину окружного шага (фиг. 3). Это позволяет уменьшить номенклатуру составных частей устройства, поскольку правый и левый рычаги, в этом случае, являются абсолютно одинаковыми. Кроме того, в сварном варианте рычага становится возможным изготавливать зубчатый сектор без механической обработки, за одно целое с контуром рычага из листа меньшей толщины методом воздушно-плазменной или лазерной резки, что удешевляет изготовление. Для защиты зубчатого сопряжения от попадания бурового шлама предусмотрен эластичный экран 9 (фиг. 1) из резины или другого эластомера.A device for clamping a drill string (Fig. 1) comprises a housing 1, each mounted on its axis 2, levers 3 made in the form of levers of the first kind, with clamping cylindrical surfaces 4 formed thereon covering the flange of the screw drill string 5. On the levers 3 are formed toothed sectors 6, which are engaged with each other, coaxial to the axes of the hinges 2 of the same levers and mated with each other in a position where the levers are symmetrical with respect to the plane passing through the axis 2. The clamping surfaces 4 can have both a constant value of the radius of curvature R close to the radius of the flange of the clamped screw, and a variable, which is more suitable for working with screws of different diameters. In the latter case, the guiding line for the formation of the cylindrical clamping surface 4 may be curves with a variable radius, for example a parabola, hyperbola or ellipse (not shown). This will reduce the contact stresses that occur when clamping screws on the flange due to their averaging for screws of different diameters and prevent or significantly reduce the deformation of their flanges. To actuate the device is equipped with a drive in the form of a hydraulic cylinder, a housing 7 and a rod 8, which the ends of the levers 3 are pivotally connected to each other. The gearing is double-crowned (Fig. 2), while the teeth of the paired crowns are mutually offset around the circumference by half the circumferential pitch (Fig. 3). This allows you to reduce the range of components of the device, since the right and left levers, in this case, are exactly the same. In addition, in the welded version of the lever, it becomes possible to manufacture the gear sector without machining, in one piece with the contour of the lever from a sheet of smaller thickness by air-plasma or laser cutting, which makes manufacturing cheaper. To protect the gear mate from the ingress of drill cuttings, an elastic screen 9 (Fig. 1) made of rubber or other elastomer is provided.

Заявленное устройство также может быть выполнено с зажимными рычагами, выполненными в виде рычагов второго рода 10 (фиг. 4), сопряженных друг с другом, зубчатым зацеплением 11, аналогичным описанному выше, и осям 12, связывающими концы рычагов с корпусом 13. Средняя часть рычагов имеет криволинейную форму, а их внутренняя часть образует цилиндрическую зажимную поверхность 14, контактирующую, например, с обсадной колонной 18. Вторые концы рычагов 10 шарнирно связаны с гидроцилиндром 15.The claimed device can also be made with clamping levers made in the form of levers of the second kind 10 (Fig. 4), mated with each other, gearing 11, similar to that described above, and axes 12 connecting the ends of the levers with the housing 13. The middle part of the levers has a curved shape, and their inner part forms a cylindrical clamping surface 14 in contact, for example, with the casing 18. The second ends of the levers 10 are pivotally connected to the hydraulic cylinder 15.

Различия в работе описанных вариантов выполнения заявленного устройства не существенны и с заявленной технической сущностью не связаны. Работает оно во всех описанных вариантах исполнения следующим образом. Перед забуриванием колонны подают давление в бесштоковую полость гидроцилиндра, который поворачивает рычаги навстречу друг другу до обеспечения минимального зазора между шнеком 5 и охватывающей его зажимной поверхностью 4 или обсадной трубой 15 и зажимной поверхностью 14 для центрирования того или иного бурового снаряда. При этом зубчатое зацепление 6 или 11, связывающее рычаги, обеспечивают их положение, в котором ось зажимной поверхности, охватывающей шнек или другую буровую колонну, совпадает с осью вращателя буровой установки (не показаны). Производят забуривание, после окончания которого, подавая давление в штоковую полость гидроцилиндра, отводят зажимные поверхности и осуществляют бурение. При необходимости зажать буровую колонну при ее подъеме из скважины и демонтаже после окончания бурения, подают давление в бесштоковую полость, рычаги поворачиваются до возникновения зажимного усилия в конце хода. При этом в процессе осуществления зажима буровой колонны зубчатое зацепление рычагов от усилия зажима разгружены, а при центрировании в процессе забуривания воспринимают только центробежную силу вращающегося шнека.The differences in the operation of the described embodiments of the claimed device are not significant and are not associated with the claimed technical essence. It works in all the described embodiments as follows. Before drilling the columns, pressure is applied to the rodless cavity of the hydraulic cylinder, which turns the levers towards each other to ensure a minimum clearance between the screw 5 and the clamping surface 4 or casing 15 surrounding it and the clamping surface 14 to center one or another drill. In this case, gearing 6 or 11, connecting the levers, provide their position in which the axis of the clamping surface covering the screw or other drill string coincides with the axis of the rotator of the drilling rig (not shown). Drilling is performed, after which, applying pressure to the rod cavity of the hydraulic cylinder, the clamping surfaces are removed and drilling is carried out. If necessary, clamp the drill string when lifting it from the well and dismantling it after drilling is completed, pressure is supplied to the rodless cavity, the levers are turned until a clamping force occurs at the end of the stroke. Moreover, in the process of clamping the drill string, the gearing of the levers from the clamping force is unloaded, and when centered during drilling, only the centrifugal force of the rotating screw is perceived.

Заявленное устройство, в отличие от прототипа, уменьшает номенклатуру сборочных единиц, поскольку оба рычага одинаковы, в отличие от прототипа, где правый и левый отличаются друг от друга. Это упрощает производство. Кроме того, трудноразличимые на глаз, правый и левый рычаги прототипа, приводили к ошибкам в сборке, куда попадали одноменные рычаги. Эта вероятность заявленным устройством исключается в принципе. Его применение в буровой установке, по сравнению с другими известными аналогами, существенно уменьшает смещение оси устья скважины относительно оси шпинделя вращателя, что в процессе ее бурения исключает знакопеременную нагрузку на буровую колонну в виде ее изгиба с одновременным вращением возникающую при упомянутом смещении. Это повышает срок службы буровой колонны (прежде всего шнековой, из-за ее жесткой связи со стенками скважины) за счет уменьшения вероятности усталостного разрушения ее сварных соединений, вызванного знакопеременной нагрузкой. Исключается также перегрузка направляющих каретки вращателя и подшипников его шпинделя, вызванная несовпадением осей вращения буровой колонны и шпинделя. Зубчатая передача, связывающая рычаги, может иметь достаточный ресурс даже в условиях абразивной среды, поскольку находится вне больших нагрузок, связанных с действием зажимного усилия.The claimed device, in contrast to the prototype, reduces the range of assembly units, since both levers are the same, unlike the prototype, where the right and left are different from each other. This simplifies production. In addition, difficult to distinguish by eye, the right and left levers of the prototype, led to errors in the assembly, which hit the same levers. This probability of the claimed device is excluded in principle. Its use in a drilling rig, in comparison with other known analogues, significantly reduces the displacement of the axis of the wellhead relative to the axis of the spindle of the rotator, which during drilling eliminates the alternating load on the drill string in the form of its bend with simultaneous rotation occurring at the mentioned offset. This increases the life of the drill string (primarily auger, due to its rigid connection with the walls of the well) by reducing the likelihood of fatigue failure of its welded joints caused by alternating loads. The overload of the guides of the carriage of the rotator and the bearings of its spindle, caused by the mismatch of the axis of rotation of the drill string and spindle, is also excluded. The gear linking the levers can have a sufficient resource even in an abrasive environment, since it is outside of the large loads associated with the clamping force.

Claims

1. Device for centering and holding the drill string, comprising a housing, each pivotally mounted on it on its axis of levers with clamping gripping surfaces formed thereon, connected to each other by gear sectors coaxial to the hinges, allowing coordinated symmetrical rotation of the levers in opposite directions characterized in that the gearing is double-crowned, while the teeth of each of the paired rims of which are mutually offset around the circumference by half step.

2. The device for centering and holding the drill string according to claim 1, characterized in that the ends of the levers are pivotally connected by a power drive, for example, in the form of a hydraulic cylinder.