Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАРЕЗАНИЯ РЕЗЬБЫ НА ТРУБАХ НА УСТЬЕ СКВАЖИН

Изобретение относится к нефтегазодобывающей и геологоразведочной отраслям промышленности и предназначено для нарезания резьбы на трубах на устье скважин.

Известно устройство для нарезки внешней резьбы на обсадной колонне согласно Программе интервенции в скв. 321 Карачаганакского месторождения (Казахстан. Карачаганак. Европейская группа Экономического интереса), состоящее из следующих основных узлов: корпуса, шпинделя, главного вала, привода и узла крепления резьбонарезного инструмента.

Однако известное устройство обладает следующим недостатком: оно не предназначено для нарезки конических резьб на трубах нефтяного сортамента.

Известно еще устройство по патенту РФ 2128276, Е 21 В 17/00, В 23 G 1/24, 1999 г., Бюл. 9, состоящее из опорного цилиндра с внутренней резьбой, жестко скрепленного с копиром, стола, снабженного в нижней части наружной резьбой, входящей в соединение с резьбовой частью опорного цилиндра, резцедержателя, установленного на вращателе с помощью кронштейна, и опорного фланца с коническим буртом. Вращатель закреплен на столе подвижным соединением типа "ласточкин хвост" с возможностью радиального перемещения с целью обеспечения следования по контуру направляющей копира в процессе работы. Вращатель снабжен проушинами для осуществления ручного вращения с помощью вставляемых ломиков или патрубков. Опорный цилиндр для обеспечения центровки снабжен в своей нижней части внутренней конической выточкой, соответствующей коническому бурту опорного фланца. Крепление на обсадной трубе и центровка опорного фланца и опорного цилиндра осуществляются болтами. Конструкция резцедержателя позволяет устанавливать и использовать резцы различного типа (проходные, резьбонарезные). Вращатель в нижней своей части снабжен буртом с наружной конической поверхностью, соответствующей конической поверхности копира.

Однако известное устройство обладает следующими недостатками:
- потребность в увеличенной высоте оголовка обсадной колонны для монтажа устройства;
- трудоемкость, длительность по времени, требование высокой квалификации оператора при выполнении работы по центрированию устройства;
- необходимость жесткого крепления устройства на обсадной колонне во избежание неравномерного вращения или возможного заклинивания пары "стол-опорный цилиндр".

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является устройство по патенту РФ 2132924, Е 21 В 17/00, В 23 G 1/24, 1999г., Бюл. 19, состоящее из стола, гидропривода и резцедержателя, которое снабжено механизмом преобразования вращательного движения от привода во вращательно-поступательное движение инструмента вдоль образующей обсадной колонны, состоящим из зубчатого колеса, двух шестерен и винта, скрепленного со столом и перемещающегося по пояскам центрирующей обоймы; копиром, выполненным в виде наклонной стойки, закрепленной на зубчатом колесе, и салазок, размещенных на столе с возможностью перемещения по призматическим направляющим; механизмом отвода резца из зоны резания в конце хода механизма, включающим в себя упор, закрепленный на наклонной стойке, снабженной местной выборкой, а также центрирующим механизмом, состоящим из обоймы, подвижно скрепленных с ней сухарей, снабженных вкладышами, обеспечивающими нарезание резьбы на трубах различного диаметра.

Однако известное устройство обладает следующими недостатками:
- при наличии изогнутости обсадной колонны не обеспечивается минимально допустимая толщина стенки в плоскости торца трубы;
- возможное сползание устройства по колонне вниз при обратном ходе;
- потребность в повышенных осевых размерах оголовка колонны для монтажа устройства.

Целью изобретения является:
- повышение надежности крепления устройства на обсадной колонне;
- снижение габаритных размеров и массы устройства;
- повышение качества нарезания резьбы;
- повышение производительности устройства;
- расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для нарезания резьбы на трубах на устье скважины, состоящее из стола, гидропривода, резцедержателя, механизма вращения и подачи режущего инструмента, включающего узел преобразования вращательного движения от привода во вращательно-поступательное движение режущего инструмента, копира и салазок, снабжено обоймой центрирующей с двумя цилиндрическими направляющими поясками, опорным буртом с центрирующим пояском, оснащенной четырьмя внутренними сменными установочными винтами, обеспечивающими нарезание резьбы на трубах различного диаметра, и четырьмя наружными удлиненными регулировочными винтами с призматическими упорами с крестообразным рифлением на рабочей поверхности; а механизм вращения и подачи режущего инструмента снабжен цельным корпусом, на верхнем бурте которого размещается и охватывает его шейку колесо, скрепленное с зубчатым венцом, и двумя диаметрально расположенными скалками, размещенными в опорах колеса и подвижно соединенных с серьгами, установленными в цапфах стола; к тому же оно снабжено размещенным между столом и салазками натяжным фартуком со сменными наконечниками, обеспечивающими защиту кольцевой полости между боковой поверхностью обсадной колонны и внутренней поверхностью винта от образующейся в процессе резания металлической стружки; а также механизм крепления режущего инструмента и настройки глубины резания встроен в передвижные салазки, обеспечивающие его перемещение при процессе нарезания резьбы, и выполнен с возможностью установки на него дополнительного инструмента, например электродрели, причем само устройство снабжено съемным приспособлением для монтажа обоймы центрирующей на обсадной колонне, обеспечивающим установку и настройку устройства на длину нарезания резьбы.

Конструкция устройства приведена на фиг. 1-8, в том числе на фиг.1 - общий вид устройства, на фиг. 2 - обойма центрирующая, на фиг.3 - механизм вращения и подачи режущего инструмента, на фиг.4 - общий вид устройства сверху, на фиг.5 - механизм вращения и подачи режущего инструмента по сечению А-А на виде сверху (фиг.4), на фиг.6 и 7 - механизм крепления режущего инструмента и настройки глубины резания, на фиг.8 - приспособление для монтажа обоймы центрирующей на обсадную колону.

Устройство состоит из следующих основных узлов:
- обоймы центрирующей;
- механизма вращения и подачи режущего инструмента (резца, фрезы), включающего узел преобразования вращательного движения от привода во вращательно-поступательное движение режущего инструмента;
- механизма крепления режущего инструмента и настройки глубины резания;
- приспособления для монтажа обоймы центрирующей на обсадную колонну;
- пульта управления работой устройства.

I. Обойма центрирующая состоит из непосредственно обоймы 1, снабженной двумя цилиндрическими направляющими поясками 2, опорным буртом 3 с центрирующим пояском 4 и двух штырей - ловителей 5, закрепленных на опорном бурте 3, четырех внутренних установочных винтов 6, равномерно размещенных между направляющими поясками 2 по цилиндрической поверхности обоймы 1, четырех наружных регулировочных винтов 7, равномерно размещенных под опорным буртом 3 по цилиндрической поверхности обоймы 1. Регулировочные винты 7 снабжены призматическими упорами, размещенными в прямоугольных выборках, выполненных во внутренней расточке обоймы 1. Рабочая поверхность упоров, охватывающая обсадную колонну, выполнена с крестообразным рифлением. Внутренние установочные винты 6 предназначены для центрирования цилиндрических поясков 2 обоймы 1 по наружному диаметру обсадной колонны. Наружные регулировочные винты 7 предназначены для центрирования режущего инструмента по торцу обсадной колонны и обеспечивают настройку устройства на обточку и нарезку резьбы строго соосно с осью обсадной колонны. С целью возможности использования устройства на обсадных колоннах различного диаметра оно комплектуется внутренними установочными винтами 6 различной длины. Наружные регулировочные винты 7 выполнены удлиненными.

II. Механизм вращения и подачи режущего инструмента включает в себя:
а) Узел преобразования вращения приводного вала гидромотора во вращательно-поступательное движение стола 8 вдоль образующей обсадной колонны, состоящей из цельного корпуса 9, сменных (по типоразмеру нарезаемой резьбы) гайки 10 и винта 11, скрепленного с колесом 12, шестерни 13, насаженной на вал гидромотора 14, двух диаметрально расположенных скалок 15, установленных в опорах 16, закрепленных на диске колеса 12 и подвижно соединенных с серьгами 17, размещенных в цапфах 18, скрепленных со столом 8. Гайка 10 установлена со стороны верхнего торца корпуса 9 на бурт внутренней расточки и фиксируется двумя шпонками 19.

Ступица зубчатого колеса 12 охватывает шейку верхнего торца корпуса 9 и опирается на ее буртик. Гайка 10 и ступица зубчатого колеса 12 сверху фиксируются фланцем 20, скрепленным с корпусом 9. Гидромотор размещен в кронштейне 21, скрепленном с корпусом 9. Корпус 9 при монтаже на центрирующую обойму ориентируется штырями-ловителями 5, базируется на опорный бурт 3 обоймы 1 по ее центрирующему пояску 4 и жестко скрепляется с буртом обоймы 1 болтами 22. Вращение от вала гидромотора 14 к винту 11 передается через цилиндрическую зубчатую передачу (шестерня 13 - зубчатый венец 23, скрепленный с колесом 12) с внешним зацеплением, опору 16, вертикальную скалку 15, серьгу 17, цапфу 18, стол 8. Винт 11, вращаясь в гайке 10, перемещается со столом 8 по цилиндрическим пояскам 2 обоймы центрирующей 1. При реверсировании вращения вала гидромотора происходит изменение направления вращения и перемещения винта 11 со столом 8 на обратное. Сменные винт и гайка обеспечивают нарезание резьбы необходимого типоразмера.

б) Конусообразующий узел, состоящий из салазок 24, размещенных на столе 8 в призматических направляющих, наклонной стойки 25, закрепленной на диске колеса 12 и служащей в качестве копира, и кронштейна 26 с роликами 27, закрепленного на салазках 24. Кронштейн 26 с роликами 27 охватывают наклонную стойку 25, по ее плоскопараллельным поверхностям. Салазки 24 с наклонной стойкой 25 обеспечивают при обточке колонны и нарезании на ней резьбы заданную конусность. Закрепленный на наклонной стойке 25 упор 28 и местная выработка 29 на ней обеспечивают вывод резца (фрезы) из зоны резания в конце рабочего хода устройства - перемещении стола вниз и ввод фрезы в зону резания в начале обратного хода - перемещении стола 8 вверх. Два стопорных винта 30, размещенных напротив отверстий 31 стола 8, обеспечивают возможность при их ввинчивании до упора в отверстия 31 стола 8 и демонтаже с салазок 24 кронштейна 26 с роликами 27, осуществлять цилиндрическую обточку колонны данным устройством.

в) Два рым-болта 32, ввинченные в цапфы 18 стола 8, с помощью которых осуществляется установка механизма на обойму центрирующую.

г) Фартук натяжной, размещенный в зоне резания между столом 8 и салазками 24 и состоящий из сменного наконечника 33, охватывающего боковую поверхность обтачиваемой (фрезеруемой) обсадной колонны, скрепленного со скользящей по поверхности стола 8 фигурной планкой 34, двух регулировочных винтов 35, ввинченных в срезанный торец стола 8, двух натяжных пружин 36, соединенных с регулировочными винтами 35 и пальцами 37, закрепленными в скользящей фигурной планке 34. Натяжная пружина 36 обеспечивает постоянный прижим наконечника к боковой поверхности обсадной колонны. Фартук натяжной защищает кольцевую полость, образованную наружной поверхностью обсадной колонны и внутренней поверхностью винта 11 от падающей в процессе резания стружки.

III. Механизм крепления режущего инструмента и настройки глубины резания конструктивно встроен в салазки 24 и состоит из ползуна 38, размещенного в призматических направляющих салазок 24, стойки 33, скрепленной с торцом салазок 24, винта 40, размещенного в стойке 39 и ввинченного в опору 41, скрепленную с ползуном 38, втулки 42, насаженной на винт 40 и соединенной с ним шпонкой 43, подпружиненного делительного кольца 44, устанавливаемого на начало отсчета и размещенного между буртом втулки 42 и стойкой 39, снабженной началом отсчета, корпуса 45 с проставкой 46, скрепленных с ползуном 38. Корпус 45 с ввинченными в него винтами обеспечивает размещение и крепление в нем режущего инструмента - резцов проходных и резьбовых. Для перемещения режущего инструмента (подвод, отвод) и настройки глубины резания свободный торец винта 40 снабжен квадратной головкой.

Механизм крепления режущего инструмента предусматривает возможность установки на него электродрели 47, скрепленной с фрезой (для обточки или нарезания резьбы) при помощи оправки 48, снабженной конусным хвостовиком, втулки 49, гайки 50 и шпонки 51. Для этого необходимо с механизма крепления инструмента демонтировать корпус 45 с проставкой 46, а опору 41 скрепить с державкой 52, снабженной отъемным полухомутом для крепления электродрели 47 за ее корпус со стороны шпинделя, снабженного конусным отверстием.

IV. Приспособление для монтажа обоймы центрирующей на обсадную колонну обеспечивает установку (настройку) устройства на заданную длину обточки и нарезки резьбы на обсадной колонне и включает в себя:
- корпусной фланец 53, снабженный внутренним буртом, в наружный торец которого ввинчены три стойки - шпильки 54, и тремя упорными винтами 55, равномерно расположенными в нижней части корпуса фланца. Стойки-шпильки 54 в верхней части снабжены резьбой и лыской, на поверхности которой нанесены риски, обозначенные цифрами. Каждая риска соответствует определенной длине обточки и нарезки резьбы для каждого диаметра обсадной колонны;
- опорный диск 56 с установленными в его трех отверстиях, выполненных напротив стоек-шпилек 54, резьбовыми втулками 57, снабженными буртом, гайкой 58 и контргайкой 59. Бурт резьбовой втулки 57 и свинченные гайки свободно (с зазором 0,2,..0,5 мм) охватывают (в отверстиях) опорный диск 56 по его толщине. На верхней поверхности опорного диска 56 нанесены цифры, соответствующие цифрам, указанным на стойках-шпильках 54, с указанием диаметра обсадной колонны.

V. Пульт управления работой устройства состоит из стойки, гидропанели, регулятора потока, гидрораспределителя с ручным управлением и обеспечивает регулировку частоты и направления вращения винта устройства, скрепленного со столом. (На схеме не приведено).

Подготовка устройства к работе осуществляется следующим образом.

Вывинчиваются наружные регулировочные винты 7 обоймы центрирующей 1, соединенные с упорами, и ввинчиваются в резьбовые отверстия, расположенные между цилиндрическими поясками 2, внутренние установочные винты 6 длиной, соответствующей диаметру обсадной колонны, на размер, достаточной для свободного прохода ее оголовка при монтаже обоймы центрирующей 1.

Вращением резьбовых втулок 57 приспособления для монтажа обоймы центрирующей на обсадную колонну до совмещения торца 60 резьбовой втулки 57 с риской, нанесенной на лыске стойки-шпильки 54, обозначенной цифрой, соответствующей диаметру обсадной колонны, подлежащей обработке, устройство настраивается на требуемую длину обточки и нарезки резьбы. После этого приспособление монтируется внутренним буртом корпусного фланца на верхний торец обоймы центрирующей 1. Затем винты 55 ввинчиваются до их упора в нижний торец верхнего направляющего пояска 2 обоймы 1. Центрирующая обойма 1, скрепленная с приспособлением, с помощью двух рукояток, ввинченных в резьбовые отверстия обоймы (на схеме не показано), монтируется на оголовок обсадной колонны до упора ее торца в опорный диск 56. После чего установочными винтами центрируют направляющие пояски 2 обоймы центрирующей 1 по наружной поверхности обсадной колонны с точностью 0,2...0,5 мм, контролируя размер 63 глубиномером штангенциркуля через отверстие 62 обоймы 1, размещенные под винтами. Положение отцентрированных направляющих поясков 2 обоймы фиксируется контргайками винтов. Ввинчиванием установочных винтов производят зажим обсадной колонны упорами и предварительное центрирование нижнего торца обоймы центрирующей по наружной поверхности обсадной колонны с точностью 0,5...1,0 мм, контролируя размер 63. Вывинчиванием винтов 55 приспособления освобождают верхний направляющий поясок 2 обоймы 1. Демонтируют приспособление и рукоятки с обоймы центрирующей. После чего монтируют механизм подачи и вращения на центрирующую обойму, закрепленную на оголовке обсадной колонны, ориентируя при этом два отверстия 64, расположенные на нижнем торце корпуса механизма, по штырям-ловителям обоймы. Скрепляют корпус механизма с опорным буртом обоймы болтами. Соединяют шлангопроводами пульт управления работой устройства с гидромотором и гидростанцией.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

1. Нарезание резьбы резцами
Регулятором потока пульта управления настраивается требуемая для обточки (резания) частота вращения винта устройства. В корпусе механизма крепления режущего инструмента крепится резец для обточки. Включением гидромотора устройства резец выводится на исходное положение таким образом, чтобы режущая кромка резца была выше торца оголовка обсадной колонны на 3...5 мм. Вращением винта 40 за его квадратную головку устанавливается требуемая глубина резания. Включением гидромотора на рабочий ход устройства (вращение резца должно быть по часовой стрелке с ходом вниз) осуществляется процесс резания-обточки оголовка обсадной колонны. После выхода резца из зоны резания в конце хода стола вниз гидромотор выключается. Вращением винта 40 резец отводится от обсадной колонны. Включением гидромотора устройства на обратный ход резец выводится в верхнее исходное положение.

После завершения обточки оголовка обсадной колонны на конус до требуемого наружного диаметра в плоскости торца производится замена проходного резца на резьбонарезной. Включением гидромотора на рабочий ход устройства осуществляется процесс нарезания резьбы на оголовке обсадной колонны с последующим отводом резца из зоны резания.

2. Фрезерование резьбы фрезой
Регулятором потока пульта управления настраивается требуемая для фрезерования частота вращения винта устройства. С механизма крепления режущего инструмента демонтируется корпус с проставкой. В державке его полухомутом крепится электродрель с фрезой для обточки. Далее методами, как и при нарезании резьбы, резцами, выводится фреза на исходное положение и настраивается глубина фрезерования. Включением электродрели обеспечивается вращение фрезы. Включением гидромотора на рабочий ход устройства осуществляется процесс фрезерования оголовка обсадной колонны по диаметру при ходе стола устройства вниз. С выходом фрезы из зоны резания гидромотор отключается. Вращением винта фреза вновь подается на очередной шаг глубины резания. Переключением гидромотора на обратный ход устройства осуществляется процесс фрезерования оголовка обсадной колонны по диаметру при ходе стола устройства вверх. Тем самым исключаются холостые (без процесса резания) ходы устройства.

После завершения фрезерования оголовка обсадной колонны на конус до требуемого наружного диаметра в плоскости торца электродрель выключается и производится замена фрезы на резьбонарезную. Вращением винта механизма настройки глубины резания настраивается требуемая глубина фрезерования. Включается электродрель. Включением гидромотора осуществляется подача фрезы и нарезание резьбы на оголовке обсадной колонны. Вопросы подачи электроэнергии для питания электродрели данным описанием не рассматриваются.

3. Выполнение работ с использованием ручного привода
При выполнении аварийных работ в труднодоступных районах, с отсутствием источников электроэнергии или невозможности доставки гидростанций, устройство позволяет проводить операции по нарезанию резьбы с использованием ручного привода, для чего производится демонтаж некоторых элементов устройства и установка некоторых дополнительных деталей, прилагаемых к устройству.

Демонтаж устройства производится в следующей последовательности: вращением винта 40 механизма крепления резец (фреза) отводится от обсадной колонны, включением гидромотора на вращение стола по часовой стрелке стол переводится из верхнего положения в нижнее, отсоединяется шлангопровод от гидромотора, демонтируется механизм вращения и подачи режущего инструмента, а затем демонтируется центрирующая обойма.

Устройство изготовлено и испытано в цеховых и полевых условиях.