Устройство для вращения колонны труб в роторе буровой установки
Изобретение относится к области глубокого бурения и может быть использовано в устройствах для вращения бурильных, ведущих и обсадных труб в роторе буровой установки. Устройство для вращения колонны труб в роторе буровой установки включает механизм передачи крутящего момента, содержащий размещенные в граненом отверстии ротора корпус, вкладыши с выполненными на их внутренней поверхности наклонными пазами с плоским дном под клинья и зажим ведущей трубы. Корпус, вкладыши с клиньями и зажим ведущей трубы снабжены шлицевыми соединениями, расположенными на уровне граненого отверстия ротора с возможностью взаимодействия между собой, причем шлицевое соединение между вкладышами и клиньями образовано плоским дном и боковыми ограничительными стенками наклонных пазов вкладышей и ответной поверхностью клиньев, при этом ширина в контактной поверхности клина с вкладышем определяется по формуле: в≥2Мкр·а·tg(α+ϕ)/P·R, где в - ширина контактной поверхности клина с вкладышем; Мкр - крутящий момент, необходимый для вращения колонны труб; а - расстояние от наружной поверхности трубы до контактной поверхности клин - вкладыш в зоне граненого отверстия ротора; α - угол наклона плоской опорной поверхности клиньев; ϕ - угол трения на контактной поверхности клиньев и вкладышей; R - радиус контактной поверхности клина с трубой; Р - масса удерживаемой колонны труб. Повышается надежность и долговечность работы устройства при передаче значительного крутящего момента, повышается безопасность работ за счет уменьшения износа и вероятности заклинивания и повреждения клиньями колонны труб при одновременном снижении металлоемкости всей конструкции. 4 ил.
Изобретение относится к области глубокого бурения, а именно к устройствам для вращения бурильных и ведущих труб в роторе буровой установки.
Известно устройство для вращения труб в роторе буровой установки, содержащее корпус с внутренней конической поверхностью, установленные в его полости вкладыши и клинья с ответными опорными и направляющими поверхностями, привод клиньев и размещенные между плашками и клиньями арочные пружины [1].
Недостатком данного устройства является громоздкость и сложность конструкции, а также малая надежность в работе. Кроме того, данное устройство может работать только с ограниченным диапазоном труб.
Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому результату является устройство для вращения колонны труб в роторе буровой установки, включающее механизм передачи крутящего момента с вкладышами, силовыми элементами и граненой наружной поверхностью в верхней части, размещенной в граненом отверстии ротора, и установленные во вкладышах клинья с приводом [2].
К недостаткам данного устройства следует отнести невозможность передачи значительного крутящего момента из-за использования в нем для этой цели пальцевого соединения между корпусом и вкладышами, значительная металлоемкость конструкции, повышенный износ из-за значительных контактных напряжений и, как следствие этого, - вероятность заклинивания и повреждения клиньями колонны труб в захватной части устройства.
В связи с изложенным технической задачей изобретения является повышение надежности и долговечности работы устройства при передаче значительного крутящего момента, повышение безопасности работ за счет уменьшения износа и вероятности заклинивания и повреждения клиньями колонны труб при одновременном снижении металлоемкости всей конструкции.
Поставленная техническая задача решается тем, что в устройстве для вращения колонны труб в роторе буровой установки, включающем механизм передачи крутящего момента, содержащий размещенные в граненом отверстии ротора корпус, вкладыши с выполненными на их внутренней поверхности наклонными пазами с плоским дном под клинья и зажим ведущей трубы, согласно изобретению корпус, вкладыши с клиньями и зажим ведущей трубы снабжены шлицевыми соединениями, расположенными на уровне граненого отверстия ротора с возможностью взаимодействия между собой, причем шлицевое соединение между вкладышами и клиньями образовано плоским дном и боковыми ограничительными стенками наклонных пазов вкладышей и ответной поверхностью клиньев, при этом ширина в контактной поверхности клина с вкладышем определяется по формуле:
где в - ширина контактной поверхности клина с вкладышем;
Мкр - крутящий момент, необходимый для вращения колонны труб;
а - расстояние от наружной поверхности трубы до контактной поверхности клин - вкладыш в зоне граненого отверстия ротора;
α - угол наклона плоской опорной поверхности клиньев;
ϕ - угол трения на контактной поверхности клиньев и вкладышей;
R - радиус контактной поверхности клина с трубой;
Р - масса удерживаемой колонны труб.
Изобретение поясняется чертежом, на котором фиг.1 изображает общий вид устройства в продольном разрезе (левая половина - для работы с ведущей трубой, а правая половина - для работы с бурильной колонной); фиг.2 - сечение I-I на фиг.1; фиг.3 - общий вид устройства в продольном разрезе для работы с обсадной колонной (левая половина - с колонной малого и среднего диаметра, а правая - для работы с колонной большого диаметра); фиг.4 - сечение II-II на фиг.3.
Устройство включает устанавливаемые в роторе 1 с граненым проходным отверстием 2 механизм для передачи крутящего момента, образованный корпусом 3 и вкладышами 4 при работе с трубами малого диаметра, и разъемными вкладышами 30 - при работе с обсадными трубами большого диаметра, и установленные во вкладышах 4 и 30 клинья 5 с приводом. Механизм для передачи крутящего момента выполнен в верхней части с наружной граненой поверхностью, ответной граненой поверхности проходного отверстия 2 ротора 1, и в зависимости от типоразмера вращаемой колонны труб граненая поверхность выполняется или на корпусе 3, или на наружной поверхности вкладышей 30. Корпус 3 используется при работе устройства с бурильной колонной, с ведущей трубой и обсадной колонной небольшого диаметра. При работе устройства с обсадной колонной большого диаметра механизм передачи крутящего момента используется без корпуса 3. В этом случае крутящий момент от ротора 1 передается непосредственно на вкладыши 30. Таким образом, в первом случае устройство включает корпус 3, соединенный с вкладышами 4, выполненными с опорными наклонными поверхностями 6 под клинья 5, центратор 7 и зажим 8 ведущей трубы 9 с поворотными вставками 10, охватывающими грани ведущей трубы 9. Клинья 5 могут использоваться как с плашками 11, так и без них, и соединяются посредством подвесок 12 с державками 13 через направляющие планки 14 с приводом, состоящим из рычага 15 и силового цилиндра 16 с пультом управления. В устройстве для работы с ведущей трубой 9, с колонной бурильных 17 и обсадных труб 18 малого диаметра крутящий момент на них от ротора 1 передается через силовые элементы корпуса 3, вкладыши 4 и зажим 8 (только при работе с ведущей трубой 9), выполненные в виде шлицевых соединений и расположенные на одном уровне, соответствующем высоте граненого отверстия 2 ротора 1. При работе с обсадными трубами большого диаметра механизм передачи крутящего момента используется без корпуса 3, функции которого выполняют вкладыши 30. Шлицевое соединение между ротором 1 и механизмом передачи крутящего момента в первом случае образовано стенками граненого отверстия 2 ротора 1 и граненой наружной поверхностью 19 корпуса 3, а между корпусом 3 и вкладышами 4 - стенками пазов 20 в корпусе 3 и боковыми стенками размещенных в них хвостовиков 21 вкладышей 4. Передача же крутящего момента от вкладышей 4 на клинья 5 осуществляется через шлицевое соединение, образованное стенками наклонных плоских пазов 22 на внутренней поверхности вкладышей 4 и стенками опорных выступов 23 конгруэнтной формы на наружной поверхности клиньев 5. При этом ширина в опорной контактной поверхности вкладыша 4 с клином 5 определяется по формуле:
где в - ширина контактной поверхности клина с вкладышем;
Мкр - крутящий момент, необходимый для вращения колонны труб;
а - расстояние от наружной поверхности трубы до контактной поверхности клин -вкладыш в зоне граненого отверстия ротора;
α - угол наклона плоской опорной поверхности клиньев;
ϕ - угол трения на контактной поверхности клиньев и вкладышей;
R - радиус контактной поверхности клина с трубой;
Р - масса удерживаемой колонны труб.
При работе с ведущей бурильной трубой 9 передача на нее крутящего момента осуществляется от вкладышей 4 через корпус 8 зажима, верхняя часть которого имеет в плане крестообразные выступы 24, боковые стенки которых 25 размещены между боковыми стенками 26 вкладышей 4 и образуют с ними шлицевое соединение. При работе с обсадными трубами большого диаметра шлицевое соединение между ротором 1 и механизмом передачи крутящего момента образовано стенками граненого отверстия 2 ротора 1 и ответной формы стенками 27 вкладышей 30, а между вкладышами 30 и клиньями 6 - контактирующими плоскими поверхностями 28 и 29 соответственно на внутренней поверхности вкладышей 30 и наружной поверхности клиньев 5 (фиг.4). При этом все шлицевые и шлицеобразные соединения расположены на одном уровне, соответствующем высоте граней отверстия 2 ротора 1.
Работа устройства заключается в следующем. Перед началом бурения зажим 8 ведущей трубы 10 устанавливается между вкладышами 4, образуя контактирующими поверхностями 25-26 шлицевое соединение, через которое крутящий момент от ротора 1 передается на поворотные вставки 10 и от них на грани ведущей трубы 9. При работе с бурильной колонной 17 вращение на нее передается через шлицевые соединения, образованные между гранеными поверхностями отверстия 2 ротора 1 и 19 корпуса 3, далее через поверхности 20 и 21 соответственно корпуса 3 и хвостовика вкладышей 4 и от вкладышей 4 на узел захвата бурильной колонны через шлицеобразные соединения 22-23, образованные контактирующими поверхностями соответственно вкладышей 4 и клиньев 5. При работе с обсадной колонной небольшого диаметра передача крутящего момента от ротора 1 на узел захвата осуществляется так же, как и при работе с бурильной колонной. При работе с обсадной колонной большого диаметра передача крутящего момента от ротора 1 осуществляется непосредственно на вкладыши 30 и от них на клинья 5 с плашками 11 через шлицевые соединения, образованные гранеными поверхностями отверстия 2 ротора, граненой наружной поверхностью 27 вкладышей 30, стенками пазов 28 и взаимодействующими с ними поверхностями 29 клиньев 5.
Использование предложенного устройства для вращения труб в роторе буровой установки позволяет передавать значительные крутящие моменты за счет передачи крутящего момента от ротора на захватываемый элемент через шлицевые и шлицеобразные соединения, расположенные на одной высоте. Это увеличивает контактную поверхность между силовыми элементами устройства и тем самым уменьшает контактные давления и износ при одновременном снижении вероятности заклинивания и перекосов.
Источники информации
1. Патент РФ №2110663, кл. Е 21 В 19/10, 1992 г.
2. Патент РФ №2142551, кл. Е 21 В 19/10, 1997 г.
Устройство для вращения колонны труб в роторе буровой установки, включающее механизм передачи крутящего момента, содержащий размещенные в граненом отверстии ротора корпус, вкладыши с выполненными на их внутренней поверхности наклонными пазами с плоским дном под клинья и зажим ведущей трубы, отличающееся тем, что корпус, вкладыши с клиньями и зажим ведущей трубы снабжены шлицевыми соединениями, расположенными на уровне граненого отверстия ротора с возможностью взаимодействия между собой, причем шлицевое соединение между вкладышами и клиньями образовано плоским дном и боковыми ограничительными стенками наклонных пазов вкладышей и ответной поверхностью клиньев, при этом ширина в контактной поверхности клина с вкладышем определяется по формуле
,
где в - ширина контактной поверхности клина с вкладышем;
Мкр - крутящий момент, необходимый для вращения колонны труб;
а - расстояние от наружной поверхности трубы до контактной поверхности клин - вкладыш в зоне граненого отверстия ротора;
α - угол наклона плоской опорной поверхности клиньев;
ϕ - угол трения на контактной поверхности клиньев и вкладышей;
R - радиус контактной поверхности клина с трубой;
Р - масса удерживаемой колонны труб.
