клиньевое устройство для захвата бурильных труб в роторе буровой установки

Формула изобретения

1. Клиньевое устройство для захвата бурильных труб в роторе буровой установки, включающее корпус с установленными в нем вкладышами, центратором, клиньями с державками, верхними и нижними пазами под направляющие планки, зажим ведущей трубы с ограничителем хода направляющих планок, подроторное кольцо, подъемный рычаг, силовой цилиндр с крышкой, ножной кран управления с педалью и подпедальными упорами, корпусом, полым штоком, воздухораспределителем, отличающееся тем, что содержит второй воздухораспределитель, полый шток выполнен полым с двух сторон, воздухораспределители выполнены с торцевыми уплотнениями и подпружиненными клапанами, на наружной поверхности которых размещены воздухоподводящие пазы, а также с воздухоподводящими крышками, при этом державки клиньев и направляющие планки в верхней части выполнены в одной плоскости, перпендикулярной оси бурильной колонны, верхняя полость силового цилиндра соединена широким проходным каналом с воздухосборником, размещенным на верхней крышке силового цилиндра, поршень силового цилиндра снабжен набором из не менее двух манжет, уплотняющих верхнюю полость силового цилиндра, а кран управления выполнен с педалью, над которой ось ее качания через поворотный рычаг со скобой и шарнирный палец связана с полым с двух сторон штоком и надетыми на него с двух сторон и противоположно направленными воздухораспределителями с торцевыми уплотнениями, подпружиненными клапанами и воздухоподводящими крышками, а также с трехпозиционным фиксатором педали ножного крана управления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выполнено таким образом, что при максимально опущенной на державки клиньев и направляющие планки колонне бурильных труб в верхней полости силового цилиндра и воздухосборника максимальное давление не должно превышать двукратное относительно давления при поднятых клиньях, а уплотняющие верхнюю полость силового цилиндра манжеты разделены зажимным кольцом с минимальным зазором относительно внутреннего диаметра силового цилиндра в верхней части зажимного кольца, обеспечивающим невыдавливание манжеты в зазор.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между верхом державок и направляющих планок и верхом корпуса при упоре клиньев в отклоненную в пределах проходного отверстия центратора колонну бурильных труб при исключенных возможностях увеличения сечения соответствует запасу прочности направляющих планок на изгиб.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трехпозиционный фиксатор педали ножного крана управления выполнен с подпружиненным наконечником в отверстиях с наклонными боковыми стенками, размещенных в боковой стенке педали и соответствующих положениям при установке педали на подпедальные упоры и горизонтальному положению педали.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области глубокого бурения и, в частности, представляет собой клиньевое устройство для захвата бурильных труб в роторе буровой установки.

Известно устройство для захвата труб в роторе [1], включающее корпус с верхними и нижними пазами под направляющие планки, клинья с плашками, центратор, зажим ведущей трубы с вертикальным ограничителем хода, кольцо, рычаг, силовой цилиндр, кран управления.

Недостатками данной конструкции является ручной привод крана управления устройством, т.к. в процессе спуско-подъемных и других операций управление краном осуществляется бурильщиком, а его руки заняты тормозной рукояткой лебедки и другими работами.

Известно также техническое решение [2], защищающее устройство для захвата в роторе бурильных труб, включающее корпус с установленными в нем вкладышами и центратором, клинья с державками, зажим ведущей трубы с ограничителем хода клиньев, направляющие планки, подроторное кольцо, подъемный рычаг, силовой цилиндр, кран управления у пульта бурильщика с двумя педалями на корпусе крана, подпедальными упорами (см. приложения: №1 - Инструкция по эксплуатации ПКР560М (Внешторгиздат, Изд. 347551) и №2 - Каталог “Нефтепромысловое оборудование акционерного общества “Волгабурмаш”, Design Studio “V.S” WSOY, Finland 1996.

Подробное описание крана управления дано в приложении №1. Кран управления оборудован полыми штоками, воздухораспределителями с торцевым уплотнением подпружиненных клапанов, на наружной поверхности которых размещены воздухопроводящие шлицы, а также крышкой. Указанное устройство может быть принято за прототип заявляемого устройства.

Прототип, решая задачу ножного управления, облегчая бурильщику управление буровой установкой (сравнительно с указанным выше аналогом), обладает рядом существенных недостатков, на устранение которых направлено заявляемое техническое решение.

Во-первых, нет возможности безаварийного нажатия на шарнирные узлы подвески клиньев загруженным элеватором для снижения высоты резьбового разъема колонны труб, повышения удобства работы на роторе, исключения изгиба автоматическим буровым ключом консольного конца колонны труб, удерживаемых клиньями устройства.

Во-вторых, после захвата труб клиньями прототипа кран управления устанавливается в нейтральное положение с выпуском сжатого воздуха из обеих полостей силового цилиндра, при этом надежность захвата колонны труб клиньями при спускоподъемных операциях без постоянного поддавливания силовым цилиндром снижается. Проскальзывание колонны труб в клиньях может возникнуть в любой момент и привести к аварийным ситуациям.

В-третьих, прототип не обеспечивает необходимой долговечности узлов и деталей из-за перегрузок при надавливании на поднятые державки и планки устройства загруженным элеватором.

В-четвертых, кран управления имеет громоздкую и недостаточно надежную конструкцию, особенно для зимних условий.

В связи с изложенным основной технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание такого устройства для захвата труб в роторе, конструкция которого позволяла бы осуществить безаварийное нажатие колонны труб через трубный элеватор на шарнирные узлы подвески клиньев для снижения высоты резьбового разъема колонны труб над ротором, повышения удобства работ на роторе, исключения изгиба автоматическим ключом консольного конца колонны труб, удерживаемой клиньями устройства. Конструкция устройства также должна обеспечивать надежность захвата труб за счет постоянного поддавливания клиньев силовым цилиндром при спуско-подъемных операциях и долговечность узлов и деталей устройства при надавливании на поднятые державки загруженным элеватором. Ножной кран управления должен иметь более простую и надежную, особенно для эксплуатации в зимних условиях конструкцию.

Для решения поставленной задачи устройство для захвата труб в роторе включает корпус с установленными в нем вкладышами, центратором, клиньями с державками, верхними и нижними пазами под направляющие планки, зажим ведущей трубы с ограничителем хода направляющих планок, подроторное кольцо, подъемный рычаг, силовой цилиндр с крышкой, ножной кран управления с подпедальными упорами, корпусом крана, полым штоком, воздухораспределителями с торцевыми уплотнениями и подпружиненными клапанами, на наружной поверхности которых размещены воздухопроводящие пазы, воздухоподводящими крышками.

Державки клиньев и направляющие планки в верхней части выполнены в одной плоскости, перпендикулярной оси бурильной колонны. Верхняя часть силового цилиндра соединена широким проходным каналом с воздухосборником, размещенным на верхней крышке силового цилиндра. Поршень силового цилиндра снабжен набором из не менее двух манжет, уплотняющих верхнюю полость силового цилиндра.

Кран управления выполнен с педалью, над которой ось ее качания через поворотный рычаг со скобой и шарнирный палец связана с полым с двух сторон штоком и одетыми на него с двух сторон противоположно направленными воздухораспределителями с торцевыми уплотнениями, подпружиненными клапанами и воздухоподводящими крышками, а также с трехпозиционным фиксатором педали.

При максимально опущенной на державки клиньев и направляющие планки колонне труб максимальное давление не должно превышать двукратное относительно давления при поднятых клиньях, а уплотняющие верхнюю полость силового цилиндра манжеты разделены зажимным кольцом с минимальным зазором относительно внутреннего диаметра силового цилиндра, обеспечивающим невыдавливание манжеты в зазор.

Расстояние между верхом державок и направляющих планок и верхом корпуса при упоре клиньев в отклоненную в пределах проходного отверстия центратора колонну труб при исключенных возможностях увеличения сечения соответствует запасу прочности направляющих планок на изгиб.

Трехпозиционный фиксатор ножного крана управления выполнен с подпружиненным наконечником в отверстиях с наклонными боковыми стенками, размещенных в боковой стенке педали и соответствующих положениям при установке педали на подпедальные упоры, а также горизонтальному положению педали.

Между опорными горизонтальными консольными пластинами корпуса крана управления размещен привод штока с горизонтальным пазом под шарнирный палец, выше и ниже которого размещены выходные пазы внутренних полостей штока; площадь выходных пазов соответствует площади внутренних полостей штока, а воздухораспределители с клапанами и воздухоподводящими крышками размещены с обеих сторон от опорных горизонтальных консольных пластин корпуса крана управления.

Перечень фигур чертежей

Фиг.1 - устройство для захвата труб в роторе в соответствии с настоящим предлагаемым изобретением - вид при нажиме на державки клиньев и направляющие планки колонны труб через трубный элеватор.

Фиг.2 - то же, вид при захвате труб клиньями.

Фиг.3 - то же, вид при вращении колонны труб на клиньях.

Фиг.4 - то же, вид при центрировании зажима ведущей трубы в устройстве.

Фиг.5 - разрез по линии I-I фиг.2.

Фиг.6 - разрез по линии II-II фиг.2.

Фиг.7 - разрез по линии III-III фиг.5 (изображение повернуто).

Фиг.8 - кран управления устройства, показанного на фиг.1-4 (в увеличенном масштабе).

Фиг.9 - разрез по линии IV-IV фиг.8.

Фиг.10 - разрез по линии V-V фиг.8.

Фиг.11 - разрез по линии VI-VI фиг.9.

Фиг.12 - место VII фиг.3 (в увеличенном масштабе).

Фиг.13 - место VIII фиг.12 (в увеличенном масштабе).

Устройство для захвата труб в роторе буровой установки включает корпус 1 (фиг.1) с установленными в нем вкладышами 2, центратором 3, клиньями 4 с державками 5, с верхними 6 и нижними 7 пазами под направляющие планки 8 (фиг.7), зажим ведущей трубы 9 (фиг.4), ножной кран управления 14 с педалью 15 и подпедальными упорами 16, 17, корпусом 18, полым штоком 19, воздухораспределителями 20 и 36 с торцевыми уплотнениями 21 и 37 и подпружиненными клапанами 22 и 38 (фиг.11), на наружной поверхности которых размещены воздухопроводящие пазы 23, а также с воздухоподводящими крышками 24 и 39. Державки 5 клиньев 4 и направляющие планки 8 в верхней части выполнены в одной плоскости 25 (фиг.1). Верхняя полость силового цилиндра 12 соединена широким проходным каналом 27 с воздухосборником 28, размещенным на верхней крышке 13 силового цилиндра 12. Поршень силового цилиндра 12 снабжен набором из не менее двух манжет 30 и 31 (фиг.13), уплотняющих верхнюю полость 26 силового цилиндра 12 (фиг.1), а ножной кран управления 14 выполнен с педалью 15, над которой ось 32 (фиг.10) ее качания через поворотный рычаг 33 со скобой 34 и шарнирным пальцем 35 (фиг.11) связана с полым с двух сторон штоком 19 и надетыми на него с двух сторон противоположно направленными воздухораспределителями 20 и 36 с торцевыми уплотнениями 21 и 37, подпружиненными клапанами 22 и 38 и воздухоподводящими крышками 24 и 39, а также с трехпозиционным фиксатором 40 педали 15 ножного крана управления 14.

При максимально опущенной на державки 5 клиньев 4 и направляющие планки 8 колонне труб 41 через трубный элеватор 42 (фиг.1) максимальное давление в силовом цилиндре 12 и воздухосборнике 28 не должно превышать двукратное относительно давления при поднятых клиньях 4, а уплотняющие верхнюю полость 26 силового цилиндра 12 манжеты 30 и 31 разделены зажимным кольцом 43 с минимальным зазором 44 относительного внутреннего диаметра 45 силового цилиндра 12 в верхней части 46 зажимного кольца 43, обеспечивающим невыдавливание манжеты 30 в зазор 44 (фиг.13).

Расстояние “а” между верхом 25 державок 5 (фиг.1) и направляющих планок 8 и верхом 47 корпуса 1 при упоре клиньев 4 в отклоненную в пределах проходного отверстия 48 центратора 3 колонну труб 41 при исключенных возможностях увеличения сечения соответствует запасу прочности направляющих планок 8 на изгиб.

Трехпозиционный фиксатор 40 (фиг.9, 10) педали 15 ножного крана управления 14 выполнен с подпружиненным наконечником 49 в отверстиях 50, 51, 52 с наклонными боковыми стенками, размещенных в боковой стенке 53 педали 15 и соответствующих положениям при установке педали 15 на подпедальные упоры 16, 17 и горизонтальному положению педали 15. Поворот педали 15 на угол и положение отверстий 50, 51, 52 показаны на фиг.8.

Между опорными горизонтальными консольными пластинами 54 и 55 (фиг.8, 11) корпуса 18 ножного крана управления 14 размещен привод штока 19 с горизонтальным пазом 56 под шарнирный палец 35, выше и ниже которого размещены выходные пазы 57 и 58 внутренних полостей 59 и 60 штока 19, причем площадь сечения выходных пазов 57 и 58 соответствует площади сечения внутренних полостей 59 и 60 штока 19, а воздухораспределители 20 и 36 с подпружиненными клапанами 22 и 38 и воздухоподводящими крышками 24 и 39 размещены с обеих сторон от опорных горизонтальных консольных пластин 54 и 55 корпуса 18 ножного крана управления 14.

Работа заявляемого устройства осуществляется следующим образом. Как и в прототипе, подъем и опускание клиньев 4 производится через державки 5, установленные в направляющих планках 8, связанных подроторным кольцом 10, через подъемный рычаг 11, силовой цилиндр 12, ножной кран управления 14.

На фиг. 1 показана работа устройства при нажиме на державки 5 клиньев 4 и направляющие планки 8 колонны труб 41 через трубный элеватор 42. При этом педаль 15 нажата на “подъем” с левой стороны 61 педали 15, а подпружиненный наконечник 49 зафиксирован в отверстии 52 (фиг.9).

Сжатый воздух в верхней полости 26 силового цилиндра 12 и воздухосборнике 28 продолжает сжиматься по мере перемещения клиньев 4 под действием опускающегося трубного элеватора 42 с колонной труб 41.

При нажатии клиньев 4 на отклоненную в пределах проходного отверстия 48 центратора 3 колонну труб 41 во избежание изгиба направляющих планок 8 расстояние “а” должно соответствовать запасу прочности направляющих планок 8 на изгиб. Минимальный размер “а” определяется гарантированным исключением посадки трубного элеватора 42 с колонной труб 41 на державки 5 и направляющие планки 8 в положении захвата клиньями 4 колонны труб 41, а также необходимостью свободного снятия трубного элеватора 42 с колонны труб 41 после ее посадки на клинья 4. В этом положении объем для сжатого воздуха должен быть не менее половины общего объема внутренней полости силового цилиндра 12 и воздухосборника 28.

На фиг.2 показана работа устройства при захвате труб клиньями 4 с постоянным поджатием клиньев 4 через державки 5, направляющие планки 8, подроторное кольцо 10, подъемный рычаг 11, силовой цилиндр 12 и ножной кран управления 14, педаль 15 которого нажата на “спуск” с правой стороны 62 педали 15, а подпружиненный наконечник 49 зафиксирован в конусном отверстии 50 (фиг.8, 10).

На фиг.3 показана работа устройства при вращении колонны труб 41 на клиньях 4. При этом ролики 63 подъемного рычага 11 устанавливаются посередине между ребордами 64 и 65 подроторного кольца 10, когда педаль 15 крана управления 14 установлена в горизонтальном положении, подпружиненный наконечник 49 зафиксирован в отверстии 51 (фиг.8, 10), а сжатый воздух выпущен из полостей 26 и 66 (фиг.1) силового цилиндра 12 в атмосферу. Подпружиненный стакан 67 поршня 29 силового цилиндра 12 перемещает поршень 29 со штоком 68 и подъемным рычагом 11 до положения роликов 53, показанного на фиг.3. В этом случае вращение колонны труб 41 на клиньях 4 производится без задевания роликов 63 за реборды 64 и 65 подроторного кольца 10.

На фиг.4 показана работа устройства при центрировании зажима ведущей трубы 9. При этом клинья 4 опускаются на наклонную плоскость 69 вкладыша 2 и упираются в боковую поверхность 70 зажима ведущей трубы 9. Ножной кран управления 14 педалью 15 установлен в положение “Спуск” нажатием с правой стороны 62 педали 15, а подпружиненный наконечник 49 зафиксирован в отверстии 50 (фиг.10). Зажим ведущей трубы 9 центрируется по оси устройства усилием силового цилиндра 12 с учетом соотношения плеч подъемного рычага 11 и силовой составляющей от взаимодействия клиньев 4 с наклонной опорной плоскостью 69 вкладыша 2.

На фиг.1, 8-11 показана работа ножного крана управления 14. При нажатии на правую сторону 62 педали 15 на “Спуск” педаль 15 упирается в подпедальный упор 16, и подпружиненный наконечник 49 фиксируется в отверстии 50 боковой стенки 53 педали 15. Ось 32 качания педали 15 через поворотный рычаг 33 со скобой 34 и шарнирный палец 35 поворачивается, перемещая шток 19 с подпружиненными клапанами 22 и 38 в верхнее положение. При этом сжатый воздух из воздухоподводящей крышки 24, связанной через отвод 71 и шланг 72 с воздухосборником буровой установки, через воздухопроводящие пазы 23 на наружной поверхности подпружиненного клапана 22 попадает во внутреннюю полость 73 воздухораспределителя 20 и далее через шланг 74 - в полость 66 силового цилиндра 12. Из полости 26 силового цилиндра 12 и воздухосборника 28 сжатый воздух выходит в атмосферу через шланг 75, внутреннюю полость 76 воздухораспределителя 36, внутреннюю полость 60 и выходные пазы 58 штока 19.

При нажатии на левую сторону 61 педали 15 на “Подъем” педаль 15 упирается в подпедальный упор 17 и подпружиненный наконечник 49 фиксируется в отверстии 52 боковой стенки 53 педали 15. Ось 32 качания педали 15 через поворотный рычаг 33 со скобой 34 и шарнирный палец 35 поворачивается, перемещая шток 19 с подпружиненными клапанами 22 и 38 в нижнее положение. При этом сжатый воздух из воздухопроводящей крышки 39, связанной через шланг 72 с воздухосборником буровой установки, через воздухопроводящие пазы 77 на наружной поверхности подпружиненного клапана 38 попадает во внутреннюю полость 76 воздухораспределителя 36 и далее через шланг 75 в воздухосборник 28 и в полость 26 силового цилиндра 12. Из полости 66 силового цилиндра 12 сжатый воздух выходит в атмосферу через шланг 74, внутреннюю полость 73 воздухораспределителя 20, внутреннюю полость 59 и выходные пазы 57 штока 19.

При горизонтальном положении педаль 15 фиксируется в конусном отверстии 51 боковой стенки 53 педали 15 подпружиненным конусным наконечником 49. При этом в среднем положении штока 19 внутренние полости 73 и 76 воздухораспределителей 20 и 36 через внутренние полости 59 и 60 и выходные пазы 57 и 58 штока 19 связаны с атмосферой. При этом между штоком 19 и подпружиненными клапанами 22 и 38, упертыми в торцевые уплотнения 21 и 37, имеется одинаковый с двух сторон зазор, а верхняя 26 с воздухосборником 28 и нижняя 66 полости силового цилиндра 12, связанные через шланги 74 и 75 с внутренними полостями 73 и 76 воздухораспределителей 20 и 36, сообщены с атмосферой, воздухораспределители 20 и 36 с подпружиненными клапанами 22 и 38 и воздухоподводящими крышками 24 и 39 размещены с обеих сторон от опорных горизонтальных консольных пластин 54 и 55 корпуса 18 ножного крана управления 14.

Возможность осуществления настоящего изобретения доказывается опытом практического применения подобного устройства в отечественной практике бурения.

Указанные выше технические признаки, являющиеся отличительными для заявляемого устройства и отраженные в формуле изобретения, могут быть реализованы с помощью известных средств; они необходимы и достаточны для его осуществления, т.к. обеспечивают создание устройства для захвата труб в роторе, которое позволяло бы осуществлять безаварийное нажатие колонны труб на шарнирные узлы подвески клиньев для снижения высоты резьбового разъема колонны труб над ротором, повысить удобство в работе на роторе, исключить изгиб автоматическим буровым ключом консольного конца труб, удерживаемой клиньями устройства; обеспечить надежный захват труб при спуско-подъемных операциях за счет постоянного подцавливания клиньев силовым цилиндром и долговечность устройства при надавливании загруженным элеватором; иметь простую и надежную конструкцию ножного крана управления, особенно для эксплуатации в зимних условиях.

Источник информации

1. Патент РФ №142551, кл. 21 В 19/10, 1999 г.

2. Патент РФ №2041336, кл. Е 21 В 19/10, 1995 г.

3. Инструкция по эксплуатации ПКР560М. Внешторгиздат. Изд. №47551.

4. Каталог “Нефтепромысловое оборудование акционерного общества “Волгабурмаш”, Design Studio “V.S.” WSOY, Finland 1996.