Устройство для спускоподъемных операций в бурении

 

Использование: в бурении, а именно в устройствах для захвата труб в спуско-подъемных операциях в процессе бурения скважин. Сущность изобретения: устройство содержит основание с вертикальной осью, кассету с трубами и стойку с захватами. Захваты снабжены механизмом поворота, подающим механизмом и механизмом вертикального перемещения стойки. Каждый захват выполнен в виде корпуса и скобы, размещенной в корпусе. Скобы выполнены с разноплечными рычагами. Большие плечи рычагов обращены внутрь зева. А меньшие - наружу. Механизм вертикального перемещения стойки выполнен в виде гидроцилиндра. Подающий механизм выполнен в виде водила и подающего цилиндра. Плечи рычагов связаны математическим соотношением. 7 ил.

Изобретение относится к области бурения, а именно к устройствам для захвата труб в спуско-подъемных операциях в процессе бурения скважин при геологоразведочных работах.

Известно устройство для спуско-подъемных операций в бурении [1] включающее вертикальную кассету бурильных труб и манипулятор с захватными элементами.

К недостаткам данного устройства относится большое количество кинематических пар, что снижает надежность и уменьшает жесткость конструкции.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для хранения и подачи штанг [2] включающее механизм поворота, основание, направляющую, стойку с захватами, установленную на направляющей с возможностью поворота, кассету с бурильными трубами. К недостатками данного устройства относятся недостаточная надежность захвата трубы, сложность ориентирования труб на оси скважины и недостаточная компактность в зоне поворота манипулятора с трубой, что в условиях буровой имеет большое значение.

Цель изобретения повышение надежности удержания трубы, упрощение ориентирования труб на оси скважины и улучшение компактности.

Цель достигается тем, что в устройстве для спуско-подъемных операций в бурении, включающем основание с вертикальной осью, кассету с бурильными трубами, направляющую, установленную на вертикальной оси с возможностью поворота механизмом разворота, стойку с верхним и нижним захватами, закрепленную на направляющей при помощи консолей, стойка закреплена в консолях с возможностью поворота и вертикального перемещения. Каждый захват выполнен в виде корпуса, жестко закрепленного на стойке и скобы с горизонтально осью, размещенной в корпусе с возможностью поворота механизмом поворота захвата, закрепленным на корпусе. Механизм поворота захвата может быть выполнен, например, в виде моментного гидроцилиндра с шестеренчатой передачей или гидроцилиндра с реечной передачей, или электродвигателя с шестеренчатой передачей. На концах скобы на вертикальных осях, направленных в противоположные стороны, закреплены с возможностью поворота разноплечие рычаги. Большие плечи рычагов обращены внутрь зева скобы. Плечи рычагов связаны соотношением 0,24-0,3 где D диаметр бурильной трубы, мм; l расстояние от вертикальной плоскости, проходящей через оси рычагов до оси бурильной трубы в скобе захвата, мм; l₁ расстояние от вертикальной плоскости, проходящей через точки касания одноименных плеч рычагов с бурильной трубой до оси трубы, мм.

Между корпусами захватов установлен механизм вертикального перемещения стойки, выполненный в виде гидроцилиндра двустороннего действия с двусторонним штоком. Концы штока закреплены на корпусах верхнего и нижнего захватов. Устройство снабжено подающим механизмом. Подающий механизм выполнен в виде водила, синхронизирующей тяги и гидроцилиндра. Водило одним концом закреплено на направляющей с возможностью поворота, а другим концом шарнирно связано с синхронизирующей тягой, закрепленной с возможностью поворота на корпусе гидроцилиндра вертикального перемещения стойки. Гидроцилиндр подающего механизма одним концом шарнирно связан с консолью, а другим концом закреплен с возможностью поворота на шарнире водила и синхронизирующей тяги.

Выполнение захватного устройства для СПО в бурении в виде скоб с возможностью их поворота вокруг горизонтальных осей с разноплечими рычагами, установленными шарнирно по их концам, обеспечивает свободный заход рычагов внутрь кассеты, схватывая поверхность бурильной трубы захватывающим и копирующим плечами, так что захватывающее плечо заходит внутрь кассеты, не упираясь в соседние бурильные трубы и приближаясь по мере внедрения в кассету к поверхности бурильной трубы за счет копирующего плеча, до упора в зев скобы, что позволяет упростить конструкцию (скоба и два рычага), обеспечив надежный захват бурильных труб в компактной кассете.

Для фиксации бурильной трубы необходимо только повеpнуть скобы вокруг горизонтальных осей, прижимая рычаги к поверхности бурильной трубы. Это дает возможность простейшим вращательным движением реализовать надежный захват бурильной трубы. За счет разноплечности рычагов (захватывающее плечо меньше копирующего) усилие на захватывающем больше, чем на копирующем. При соблюдении условия расположения осей рычагов на концах скоб происходит поджатие бурильной трубы к зеву скоб, обеспечивая обхват ее поверхности пятью контактными точками, причем одна принадлежит скобе, а четыре плечам рычагов, что обеспечивает надежный захват простыми захватными элементами, имеющими жесткую и надежную конструкцию.

На фиг. 1 изображено захватное устройство для СПО в бурении; на фиг.2 кинематическая схема манипулятора с захватными элементами; на фиг.3 схема начального момента движения скоб к кассете; на фиг.4 схема полного обхвата бурильной трубы; на фиг.5 разрез А-А на фиг.4 (показано положение рычагов скобы в кассете относительно бурильной трубы); на фиг.6 то же, при полном захвате бурильной трубы; на фиг.7 полный захват бурильной трубы скобой с рычагами.

Устройство для СПО в бурении содержит (фиг.1 и 2) манипулятор 1, установленный на основании 2 и кассету 3, подающую бурильные трубы 4 на позицию 5 цепным реверсивным приводом 6. На направляющей 7, поворачивающейся вокруг оси 8 механизмом 9 разворота, закреплены консоли 10, в которых с возможностью поворота и вертикального перемещения закреплена стойка 11 с захватами 12. Захваты 12 состоят из корпусов 13, скоб 14 с горизонтальными осями 15, размещенными в корпусах 13 и поворачивающимися в корпусах 13 механизмом 16 поворота.

Механизм 16 поворота скоб 14 может быть выполнен различного типа, например в виде гидроцилиндра с реечной передачей, моментного гидроцилиндра с шестеренчатой передачей или электродвигателя, также с шестеренчатой передачей. На концах скоб 14 на вертикальных осях 17, направленных в противоположные стороны, закреплены разноплечие рычаги 18 с меньшим копирующим плечом 19 и захватывающим плечом 20. Между корпусами 13 установлен механизм 21 вертикального перемещения стойки 11, выполненный в виде гидроцилиндра двустороннего действия с двусторонним штоком. Концы штока закреплены на корпусах 13.

Подающий механизм, обеспечивающий подвод бурильной трубы 4 из позиции 5 кассеты 3 на ось бурового станка, выполнен из водила 22, закрепленного с возможностью поворота на направляющей 7, и синхронизирующей тяги 23, закрепленной на корпусе гидроцилиндра (механизма 21) с возможностью поворота. Водило 22 и синхронизирующая тяга 23 соединены друг с другом шарниром. С консолью 10 шарнирно соединен подающий гидроцилиндр 24, соединенный другим своим концом с возможностью поворота с шарниром водила 22 и синхронизирующей тяги 23. На скобах 14 и по концам копирующих 19 и захватывающих 20 плеч рычагов 18 расположены контактные точки 25 (фиг.7), захватывающие бурильную трубу 4.

Захватывающее устройство для СПО в бурении работает следующим образом.

Кассета 3 бурильных труб 4 с помощью реверсивного цепного привода 6 подает бурильную трубу 4 на позицию 5. Манипулятор 1 подводит подающим гидроцилиндром 24 через синхронизирующую тягу 23 корпуса 13 со скобами 14 на позицию 5 к поверхности бурильной трубы 4. При этом корпус 13 со скобами 14 совершают плоско-параллельное движение относительно водила 22 к бурильной трубе 4. Копирающие плечи 19 рычагов 18 (фиг.3), касаясь поверхности бурильной трубы 4, приближают захватывающие плечи 20 к поверхности бурильной трубы 4, которые заходят внутрь кассеты 3 (фиг.4), не упираясь в соседние бурильные трубы, что обеспечивает более полный захват бурильной трубы 4 по сравнению с прототипом в условиях компактной кассеты. При этом охват бурильной трубы 4 осуществляется как минимум двумя скобами 14, что обеспечивает более точное положение бурильной трубы 4 в скобах 14 относительно вертикальной оси 8 манипулятора 1 (фиг.5). Механизмом 16 скобы 14 поворачиваются, разноплечие рычаги 18 захватывающими 20 и копирующими 19 плечами прижимают бурильную трубу 4, расклинивая ее в пяти контактных точках 25, одна из которых принадлежит скобе 14, а четырех рычагам 18 (фиг.7), а так как скоб 14 как минимум две (фиг. 6), обеспечивается более надежный захват бурильной трубы 4 пятью контактными точками 25 на каждой скобе 14. Усилия, возникающие в контактные точках 25 (Р₁, Р₂, Р₃), выражаются следующими зависимостями: P₁= P₂ P₃ где М_кр крутящий момент на скобах 14, кгм; D диаметр окружности, проходящей через пять контактных точек захватных элементов (диаметр бурильных труб), мм; α угол поворота контактных точек разноплечих рычагов 18 относительно горизонтальной плоскости, град; l₁ расстояние от контактных точек рычагов 18 до центра окружности (диаметр D), мм;
l смещение осей 17 рычагов 18 относительно оси окружности (диаметр D).

При моменте М_кр 100 мкг, D 194 мм, α= 20^о получены следующие значения усилий:
Р₁ 320 кг, Р₁ 481 кг, Р₃ 1122 кг, что при массе бурильной трубы 90 кг обеспечивает надежный контактный захват без деформации стенок бурильной трубы.

Захваченная бурильная труба 4 приподнимается гидроцилиндром на позиции 5 и выводится подающим гидроцилиндром 24 из кассеты 3 посредством складывания корпуса 13 с консолью 10 под острым углом, обеспечивая по сравнению с прототипом более компактную работу устройства с минимальными расстояниями а (фиг.1).

Направляющая 7 механизмом 9 поворота поворачивает манипулятор 1 вокруг оси 8 на 180^о.

Подающий гидроцилиндр 24 раскладывает корпус 13 относительно консоли 10, устанавливая бурильную трубу 4 на ось 26 бурового станка. При этом расстояния от оси 7 манипулятора 1 до оси 26 и оси позиции 5 равны, что по сравнению с прототипом упрощает движение кинематических звеньев устройства, увеличивая надежность работы в сложных полевых условиях при его достаточной компактности.

Укладка бурильных труб 4 в кассету 3 осуществляется в обратной последовательности.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ СПУСКОПОДЪЕМНЫХ ОПЕРАЦИЙ В БУРЕНИИ, содержащее основание с вертикальной осью, кассету с трубами, направляющую, установленную на оси с возможностью поворота механизмом разворота, и стойку с верхним и нижним захватами, закрепленную на направляющей при помощи консолей, отличающееся тем, что оно снабжено по крайней мере одним механизмом поворота захвата, подающим механизмом и механизмом вертикального перемещения стойки, при этом стойка закреплена на консолях с возможностью поворота в горизонтальной плоскости и вертикального перемещения, а каждый захват выполнен в виде корпуса, жестко закрепленного на стойке, и скобы с горизонтальной осью, размещенной в корпусе с возможностью поворота механизмом поворота захвата, закрепленным на корпусе, и с разноплечими рычагами, закрепленными с возможностью поворота на концах скобы на направленных в противоположные стороны вертикальных осях, при этом большие плечи рычагов обращены внутрь зева, а меньшие - наружу и связаны соотношением

где D - диаметр бурильной трубы, мм;
l - расстояние от вертикальной плоскости, проходящей через оси рычагов, до оси бурильной трубы в скобе захвата, мм;
l₁ - расстояние от вертикальной плоскости, проходящей через точки касания одноименных плеч рычагов с бурильной трубой, до оси трубы,
механизм вертикального перемещения стойки выполнен в виде гидроцилиндра двустороннего действия с двусторонним штоком, концы которого закреплены на корпусах верхнего и нижнего захватов, а подающий механизм выполнен в виде водила, закрепленного одним концом на направляющей с возможностью поворота в горизонтальной плоскости и шарнирно связанного другим концом с синхронизирующей тягой, закрепленной на корпусе гидроцилиндра вертикального перемещения стойки с возможностью поворота в горизонтальной плоскости, и подающего гидроцилиндра, одним концом шарнирно связанного с консолью, другим концом закрепленного с возможностью поворота на шарнире водила и синхронизирующей тяги.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7