RU2188297C2 - Automatic stationary drilling tongs - Google Patents

Abstract

FIELD: equipment for drilling of oil and gas wells, particularly, automatic stationary drilling tongs applicable in making-and-breaking of thread joints of drill and casing pipes. SUBSTANCE: tongs has body accommodating upper and lower pipe clamping devices, reducing gear, drive motor and torque gage. Tongs is provided with gear box mounted in separate housing. Gear box is located above reducing gear coaxially to reducing gear input shaft. Planetary reducing gear coaxial to low-speed shaft of gear box is located above gear box. Gear box housing is secured to reducing gear housing. Planetary reducing gear housing is turning round its axis in plain bearing. Tongs torque gage has leverage, movable stop of torque adjustment and system of valves for automatic disconnection of drive motor after attainment of preset making torque. Movable stop is installed on cover of planetary reducing gear. All other units of torque gage are immovably located on bracket of reducing gear housing. Upon attainment of preset torque, lever under action of reactive force of movable stop, turns to overcome spring force of lever valve and to open said valve. Pressure through lever valve is supplied to cutoff valve which closes and cuts-off air supply to drive motor. EFFECT: qualitative making-and- breaking of thread joints of drill and casing pipes and accurate adjustment of torque value. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к нефтегазопромысловому оборудованию и предназначено для свинчивания и развинчивания резьбовых соединений труб, составляющих колонну, в процессе спуска-подъема колонны в скважину. The invention relates to oil and gas equipment and is intended for screwing and unscrewing threaded pipe joints that make up the column, in the process of lowering and raising the column into the well.

Известны автоматические стационарные буровые ключи для свинчивания и развинчивания бурильных и обсадных труб, содержащие корпус, верхнее и нижнее трубозажимные устройства, приводной двигатель, редуктор, пульт управления и моментомер (авт. св. 203590, МКИ Е 21 В 19/16, 1967 год). Known automatic stationary drill keys for screwing and unscrewing drill and casing pipes, containing a housing, upper and lower pipe clamping devices, a drive motor, gearbox, control panel and a torque meter (ed. St. 203590, MKI E 21 V 19/16, 1967) .

Недостатком указанного ключа является то, что из-за отсутствия достоверной информации о величине крутящего момента и невозможности его точной регулировки не обеспечивается точное и качественное проведение работ по свинчиванию и развинчиванию колонны труб. The disadvantage of this key is that due to the lack of reliable information about the magnitude of the torque and the impossibility of its precise adjustment, accurate and high-quality work on screwing and unscrewing the pipe string is not provided.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является автоматический стационарный буровой ключ, содержащий корпус, верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, приводной двигатель, моментомер, коробку передач, моментомер с пружинным узлом настройки величины крутящего момента (патент 2143051, МКИ Е 21 В 19/16, приоритет от 10.07.98 г.). Этот ключ имеет ряд недостатков, а именно:
1. Центр тяжести коробки передач, маховика и приводного двигателя расположен с большим эксцентриситетом по отношению к подшипниковому узлу крепления коробки передач к редуктору ключа. Это приводит к большим инерционным нагрузкам при подводе-отводе ключа, параметрическим колебаниям и перегрузкам подшипников опорного узла.Closest to the claimed technical solution is an automatic stationary drill key containing a housing, upper and lower pipe clamping devices, a gearbox, a drive motor, a torque meter, a gearbox, a torque meter with a spring unit for adjusting the torque value (patent 2143051, MKI E 21 V 19/16 , priority of July 10, 1998). This key has several disadvantages, namely:
1. The center of gravity of the gearbox, flywheel and drive motor is located with a large eccentricity with respect to the bearing assembly of the gearbox to the key gear. This leads to large inertial loads during the key inlet-outlet, parametric vibrations and overloads of the bearings of the support unit.

2. Ключ имеет статический зажим трубы, т.е. сначала челюсти схватывают трубу, а потом происходит вращение вместе с трубой. Значит, при развинчивании нет кинетической энергии у вращающихся частей ключа и наличие у ключа маховика не повысит крутящий момент развинчивания. Если трубы свинчены с крутящим моментом (0,85-1) М_кр.mах, то развинчивать эти трубы ключ будет не способен. Таким образом, наличие в составе ключа маховика является недостатком конструкции.2. The key has a static pipe clamp, i.e. first, the jaws grasp the pipe, and then the rotation occurs together with the pipe. This means that when unscrewing, there is no kinetic energy in the rotating parts of the key and the presence of a flywheel in the key will not increase the unscrewing torque. If the pipes are screwed up with a torque (0.85-1) M _cr.max , then the wrench will not be able to unscrew these pipes. Thus, the presence of a flywheel as part of the key is a design flaw.

3. Узел настройки ключа на заданный момент имеет очень большую неточность, т.к. в него входит не регулируемая по усилиям пружина, что вносит погрешность настройки ±10%. 3. The key configuration node for a given moment has a very large inaccuracy, because it includes a force-independent spring, which introduces a tuning error of ± 10%.

Таким образом, ключ не может обеспечить качественного свинчивания и особенно развинчивания резьбовых соединений из-за неточной информации о величине крутящего момента при свинчивании и пониженного крутящего момента при развинчивании. Thus, the wrench cannot provide high-quality make-up and especially unscrewing of threaded joints due to inaccurate information about the magnitude of the torque when making-up and the reduced torque when unscrewing.

Целью изобретения является создание ключа более совершенной конструкции, которая обеспечивала бы качественное свинчивание и развинчивание резьбовых соединений скважинных труб, а также позволяла бы осуществлять точную регулировку крутящего момента. The aim of the invention is to create a wrench of a more advanced design, which would ensure high-quality screwing and unscrewing of threaded joints of downhole pipes, as well as allow precise adjustment of torque.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых:
фиг.1 - общий вид автоматического стационарного бурового ключа;
фиг.2 - продольный разрез бурового ключа, показанного на фиг.1;
фиг. 3 - моментомер бурового ключа, показанного на фиг.1 ( в разрезе), в увеличенном масштабе.The invention is illustrated by drawings, in which:
figure 1 is a General view of an automatic stationary drill key;
figure 2 is a longitudinal section of the drill key shown in figure 1;
FIG. 3 is a momentometer of the drill key shown in figure 1 (in section), on an enlarged scale.

Для достижения цели предложен ключ, содержащий корпус 1 (фиг.1), установленный на опорной колонне 2 с направляющими 3, в которых может перемещаться корпус 1, коробку передач 4, приводной двигатель 5, планетарный редуктор 6, моментомер 7 и дистанционный пульт управления 8. To achieve the goal, a wrench is proposed containing a housing 1 (Fig. 1) mounted on a support column 2 with guides 3, in which housing 1, a gearbox 4, a drive motor 5, a planetary gear 6, a torque meter 7 and a remote control 8 can move .

В корпусе ключа (фиг.2) смонтировано верхнее трубозажимное устройство 9 с челюстедержателем 10, которое может приводиться во вращение вертикальными пальцами 11, которые закреплены через промежуточный диск 12, на разрезной шестерне редуктора 13. В корпусе редуктора размещено нижнее трубозажимное устройство с челюстедержателем 14, которое может приводиться для зажима и освобождения неподвижной трубы двумя пневмоцилиндрами (на фиг.2 не показаны). Конструкция трубозажимных устройств известна. Каждое трубозажимное устройство включает пару челюстей 15, снабженных сухарями 16 и установленных в карманах верхнего и нижнего челюстедержателя. Челюсти снабжены роликами (на фиг. 2 не показаны), взаимодействующими со вкладышами (не показаны), размещенными в корпусе редуктора 17 и корпусе верхнего трубозажимного устройства. In the key casing (Fig. 2), an upper pipe-clamping device 9 with a jaw holder 10 is mounted, which can be rotated by vertical fingers 11, which are fixed through the intermediate disk 12, on the split gear of the gear 13. The lower pipe-clamp device with the jaw holder 14 is placed in the gear case which can be driven to clamp and release the fixed pipe by two pneumatic cylinders (not shown in FIG. 2). The design of pipe clamping devices is known. Each tube-clamping device includes a pair of jaws 15, equipped with crackers 16 and installed in the pockets of the upper and lower jaw holder. The jaws are equipped with rollers (not shown in FIG. 2) interacting with liners (not shown) located in the gear housing 17 and the upper pipe-clamp device housing.

На верхнем челюстедержателе смонтировано дисковое пневматическое тормозное устройство, состоящее из нижнего диска тормоза 18 и верхнего диска тормоза 19, связанных с верхним челюстедержателем 10, верхней 20 и нижней 21 тормозной накладки, неподвижного диска - корпуса тормоза 22, зафиксированного от поворота пальцем 23. В корпусе тормоза выполнены глухие цилиндрические расточки, в которых находятся 10 пневмоцилиндров с подпружиненными поршнями 24. Быстроходный вал редуктора 25 соединен через шлицевую втулку 26 с тихоходным валом коробки передач 27. Корпус коробки передач смонтирован на корпусе редуктора неподвижно. На корпусе коробки сверху расположена опора планетарного редуктора 29. В опоре имеется подшипник скольжения 30, в котором и устанавливается корпус планетарного редуктора 31. Благодаря такой установке планетарный редуктор может поворачиваться вокруг своей оси под действием реактивного момента. Водило 32 планетарного редуктора расположено соосно с тихоходным валом коробки передач и жестко связано с неподвижной в осевом направлении полумуфтой 33. Полумуфта 33 связана с быстроходным валом 34 через шестерню 35. Быстроходный вал 34 связан с тихоходным валом 27 через шестерню 36 со встроенной в нее полумуфтой 37. Подвижная полумуфта 38 может соединять водило планетарного редуктора 32 с тихоходным валом 27 напрямую через полумуфту 33, либо через быстроходный вал-шестерню 34. На кронштейне 39 корпуса коробки передач (фиг. 3) и крышке планетарного редуктора 40 смонтирован моментометр 7 (фиг.1). В состав моментомера входят передвижной упор 41, рычаг 42 и система из двух клапанов: отсекающего клапана 43 и клапана рычага 44. A disk pneumatic brake device is mounted on the upper jaw holder, consisting of the lower brake disk 18 and the upper brake disk 19, connected with the upper jaw holder 10, the upper 20 and the lower 21 brake lining, a fixed disk - the brake housing 22, fixed from rotation by finger 23. In the housing the brakes are made blind cylindrical bores in which there are 10 pneumatic cylinders with spring-loaded pistons 24. The high-speed shaft of the gearbox 25 is connected through a splined sleeve 26 with a low-speed shaft of the gearbox 27. The gearbox housing is mounted on the gearbox housing motionless. The planetary gear support 29 is located on top of the box housing. The bearing has a sliding bearing 30 in which the planetary gear housing 31 is mounted. Thanks to this installation, the planetary gear can rotate around its axis under the influence of a reactive moment. The carrier 32 of the planetary gearbox is aligned with the low-speed shaft of the gearbox and is rigidly connected to the axially stationary coupling half 33. The coupling half 33 is connected to the high-speed shaft 34 through gear 35. The high-speed shaft 34 is connected to the low-speed shaft 27 through gear 36 with the coupling half 37 integrated into it A movable coupling half 38 can connect the carrier of the planetary gearbox 32 to the low-speed shaft 27 directly through the coupling half 33 or through the high-speed gear shaft 34. On the bracket 39 of the gearbox housing (Fig. 3) and the planetary gear cover torus 40 mounted momentometr 7 (Figure 1). The momentometer includes a movable stop 41, a lever 42, and a system of two valves: a shut-off valve 43 and a lever valve 44.

Работа автоматического стационарного бурового ключа осуществляется следующим образом. Для свинчивания резьбового трубного соединения сначала вращением винта 45 передвижного упора 41 перемещают упор-каретку 46 так, чтобы указатель 47 остановился на требуемом значении момента свинчивавния на шкале рычага 42. Затем корпус ключа надвигается на резьбовой стык свинчиваемых труб прорезью в трубозажимных устройствах. Поворотом нижнего челюстедержателя зажимается неподвижная (нижняя) труба. Затем включается вверх полумуфта коробки передач, чем обеспечивается прямое соединение планетарного редуктора с тихоходным валом коробки передач. Затем включается приводной двигатель 5 (фиг. 1) и благодаря затормаживанию верхнего чеслюстедержателя усилиями подпружиненных поршней в корпусе тормоза 22 осуществляется захват и последующее вращение подвижной (верхней) трубы на быстрой скорости. Момент, развиваемый ключом на быстрой скорости незначителен, и не требует ограничения. Если реактивный момент превысит выставленный на моментомере и рычаг 42 повернется, открыв клапан рычага 44, то срабатывания отсекающего клапана 43 не происходит, так как давление на тормозе и клапане рычага 44 отсутствует. При остановке вращения вследствии возросшего момента сопротивления в резьбе оператор подачей давления с пульта осуществляет переключение подвижной муфты вниз для соединения ее через полумуфту 37 с шестерней 36. При этом давление подается в пневматический тормоз и усилие, с которым челюсти верхнего трубозахвата удерживают трубу, возрастает. Одновременно давление подается под тарелку клапана рычага 44, но клапан закрыт для прохода воздуха. Ключ вращает трубу на медленной скорости и происходит докрепление резьбы. При этом момент сопротивления в резьбе и момент, развиваемый пневмомотором, возрастают. Соответственно возрастает и реактивный момент на корпусе планетарного редуктора. Когда момент, развиваемый ключом, достигнет величины, установленной указателем 47 передвижной упор-каретки 46, рычаг 42, преодолевая силу пружины клапана 44 развернется, открыв клапан 44 для прохода воздуха на отсекающий клапан 43. Клапан 43 перекрывает подачу воздуха на свинчивание пневмомотора и пневмомотор останавливается. Процесс свинчивания прекращается при достижении заданного момента. The operation of an automatic stationary drill key is as follows. To make a threaded pipe connection, first, by rotating the screw 45 of the movable stop 41, the stop-carriage 46 is moved so that the pointer 47 stops at the desired value of the screwing moment on the scale of the lever 42. Then, the key body is pushed onto the threaded joint of the screwed-in pipes by a slot in the pipe-clamping devices. By turning the lower jaw holder, the stationary (lower) tube is clamped. Then the gearbox coupling half is switched up, which ensures a direct connection of the planetary gearbox with the low-speed shaft of the gearbox. Then, the drive motor 5 is turned on (Fig. 1), and due to the braking of the upper scallop holder by the efforts of the spring-loaded pistons in the brake housing 22, the movable (upper) pipe is captured and rotated at a fast speed. The moment developed by the key at fast speed is negligible, and does not require limitation. If the reactive moment exceeds that set on the momentometer and the lever 42 rotates by opening the valve of the lever 44, then the shut-off valve 43 does not operate, since there is no pressure on the brake and the valve of the lever 44. When rotation is stopped due to an increased moment of resistance in the thread, the operator, by applying pressure from the remote control, switches the movable sleeve down to connect it through the coupling half 37 with gear 36. In this case, the pressure is applied to the air brake and the force with which the jaws of the upper pipe gripper hold the pipe increases. At the same time, pressure is supplied under the valve plate of the lever 44, but the valve is closed for the passage of air. The key rotates the pipe at a slow speed and the thread is fastened. In this case, the moment of resistance in the thread and the moment developed by the pneumatic motor increase. Accordingly, the reactive moment on the planetary gear housing also increases. When the moment developed by the key reaches the value set by the pointer 47 of the movable stop-carriage 46, the lever 42, overcoming the spring force of the valve 44 is deployed, opening the valve 44 for the passage of air to the shut-off valve 43. The valve 43 shuts off the air supply for screwing the air motor and the air motor stops . The make-up process stops when the set moment is reached.

Процесс развинчивания происходит в обратном порядке. Сначала подачей давления с пульта включается пневматический тормоз и подвижная муфта включается вниз. Включается медленная скорость. Так как вращение пневмомотора теперь направлено в противоположную сторону, то и реактивный момент так же направлен в противоположную сторону, поэтому передвижной упор не давит на рычаг и не может повернуть его. Корпус планетарного редуктора не поворачивается в противоположную от рычага сторону так как упор, имеющийся в крышке планетарного редуктора ( на чертежах не показан), упирается в стационарный упор в опоре 29 планетарного редуктора. Момент развинчивания не требует ограничения, он определяется моментом сопротивления в резьбе развинчиваемых труб. При снятии натяга резьбы, когда труба начинает отвинчиваться и сопротивление в резьбе падает, оператор переключает коробку передач на быструю скорость (полумуфта 38 включается вверх) и осуществляет отвинчивание. The unscrewing process takes place in the reverse order. First, by applying pressure from the remote control, the pneumatic brake is applied and the movable clutch is turned down. Slow speed starts. Since the rotation of the pneumatic motor is now directed in the opposite direction, the reactive moment is also directed in the opposite direction, so the movable stop does not put pressure on the lever and cannot turn it. The planetary gear housing does not rotate in the opposite direction from the lever, since the stop located in the cover of the planetary gear (not shown in the drawings) abuts against the stationary stop in the support 29 of the planetary gear. The unscrewing moment does not require limitation, it is determined by the moment of resistance in the thread of the unscrewed pipes. When removing the tightness of the thread, when the pipe starts to unscrew and the resistance in the thread drops, the operator switches the gearbox to fast speed (the coupling half 38 engages upward) and performs unscrewing.

Ключ предложенной конструкции обладает высокой надежностью, позволяет качественно выполнять работы по свинчиванию-развинчиванию резьбовых соединений скважинных труб, а также позволяет осуществить точную регулировку крутящего момента. The key of the proposed design has high reliability, allows you to perform high-quality work on the screwing-unscrewing of threaded joints of borehole pipes, and also allows for precise adjustment of the torque.

Claims (3)

1. Автоматический стационарный буровой ключ, содержащий корпус, смонтированные в нем верхнее и нижнее трубозажимные устройства, редуктор, приводной двигатель, коробку передач, планетарный редуктор и моментомер, отличающийся тем, что коробка передач расположена над редуктором, причем ее корпус закреплен на корпусе редуктора стационарно, а соосно с тихоходным валом коробки передач смонтирован планетарный редуктор, корпус которого выполнен плавающим относительно оси тихоходного вала. 1. Automatic stationary drill key containing a housing, mounted upper and lower pipe clamping devices therein, a gearbox, a drive motor, a gearbox, a planetary gearbox and a torque meter, characterized in that the gearbox is located above the gearbox, and its housing is fixed to the gearbox housing and a planetary gearbox is mounted coaxially with the low-speed shaft of the gearbox, the housing of which is made floating relative to the axis of the low-speed shaft. 2. Автоматический стационарный буровой ключ по п.1, отличающийся тем, что моментомер ключа включает передвижной упор, рычаг для настройки величины крутящего момента и систему клапанов для отключения приводного двигателя по достижению заданного момента свинчивания. 2. Automatic stationary drill key according to claim 1, characterized in that the key momentometer includes a movable stop, a lever for adjusting the magnitude of the torque and a valve system to turn off the drive motor when the set make-up moment is reached. 3. Автоматический стационарный буровой ключ по п.1, отличающийся тем, что тормоз верхнего трубозажимного устройства выполнен из трех дисков, крайние из которых связаны с челюстедержателем, а в среднем неподвижном диске выполнены глухие цилиндрические расточки, в которых размещены подпружиненные стаканы, причем тормозной момент может быть увеличен в нужный момент за счет подачи в расточки под стаканы сжатого воздуха. 3. The automatic stationary drill key according to claim 1, characterized in that the brake of the upper pipe-clamping device is made of three discs, the last of which are connected to the jaw holder, and in the middle fixed disc, blind cylindrical bores are made in which spring-loaded cups are placed, and the braking torque It can be increased at the right time by feeding compressed air into the bores under glasses.

Images