Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦЕНТРИРОВАНИЯ И УДЕРЖАНИЯ БУРОВОЙ КОЛОННЫ

Предлагаемое изобретение относится к области бурового оборудования, а именно к оснащению буровых установок, использующихся в сейсморазведке, геологоразведке инженерно-геологических изысканиях, строительстве, бурении скважин на воду и другого назначения.

Известно зажимное устройство для буровой колонны (а.с. СССР №1195000, опубл. 30.11.85), включающее связанные направляющими зажимные кулачки с рабочими поверхностями и механизм их поступательного перемещения в виде двух оппозитно расположенных гидроцилиндров, соосных друг другу, штоки которых связаны каждый со своим кулачком. Недостатком устройства является отсутствие способности центрировать буровую колонну относительно оси шпинделя вращателя буровой установки, что в случае несовпадения этих осей приводит к вращению с изгибом, преждевременному исчерпанию ресурса циклической прочности колонны, перегрузке подшипников вращателя и их поломкам. Это происходит из-за неопределенности положения кулачков вдоль общей оси штоков гидроцилиндров, поскольку они могут занимать любое произвольное положение между двумя крайними. Аналогичное устройство применяется, например, в конструкции буровой установки УБГ-743-200 производства ООО «Геомаш-Владимир» (http://www.geomash-vladimir.ru/production/drill_rigs/ugb_001/).

Известно зажимное устройство для буровой колонны, в установке KB-1- LUTZ KURTH (http.//www.geomash.ru/catalog/drilling_equipment/drilling_of_geothermal_wells/kb_10_lutz_kurth/), содержащее корпус, шарнирно установленные на нем, каждый на своей оси, зажимные рычаги, в виде рычагов второго рода, с образованными на них зажимными цилиндрическими охватывающими поверхностями, а также привод зажимного устройства в виде гидроцилиндра, шток и корпус которого шарнирно соединены с концами рычагов.

Его недостатком является неопределенность положения рычагов, связанная с тем, что до тех пор, пока колонна не зажата, рычаги с образованными на них зажимными поверхностями имеют возможность совместного произвольного поворота вправо или влево. Это приводит к несимметричности их положения относительно оси шпинделя вращателя и несовпадению с ней оси скважины. По этой причине буровая колонна (в особенности шнековая в мерзлом грунте), кроме крутящего момента, испытывает знакопеременную изгибающую нагрузку, возникающую при вращении с изгибом. Это снижает срок службы колонны из-за ее поломок, связанных с усталостным разрушением сварных швов. При этом возникает дополнительная нагрузка на направляющие каретки вращателя и подшипники его шпинделя, вызванная упомянутой несоосностью.

Известно зажимное устройство для буровой колонны - трубодержатель по а.с. SU А1 №1435753 (Гой В.Л.), 30.11.85, включающее корпус, установленные в корпусе, каждый на своей оси, двуплечие рычаги, одни плечи которых оснащены плашками для захвата трубы, а другие связаны между собой тягой, при этом одно из них соединенено с приводом в виде гидроцилиндра, установленного на корпусе.

Преимуществом описанного устройства перед предыдущим является то, что в нем исключена неопределенность положения рычагов с расположенными на них зажимными плашками для обеспечения центрирования трубы относительно корпуса. Это достигается благодаря тяге, связывающей рычаги и согласующей их положение относительно оси скважины. Однако конструкция описанного устройства громоздка и некомпактна, его габариты неприемлемы для использования в мобильных буровых установках.

Известно устройство по патенту US 2217072 A (WILSON SUPPLY COMPANI), 08.10.1940, для удержания и центрирования насосно-компрессорной трубы, включающее корпус с рукояткой и шарнирно установленные на нем, каждый на своей оси, рычаги с рукоятками на концах и охватывающими поверхностями для зажимных плашек, взаимодействующих с удерживаемой трубой. Для обеспечения возможности согласованного симметричного поворота рычагов в противоположные стороны они связаны друг с другом зубчатыми секторами, концентричными осям шарниров. Это устройство обеспечивает максимально компактную кинематическую связь между рычагами, по сравнению с предыдущим аналогом, наиболее близко по технической сущности заявленному, и выбрано в качестве его прототипа.

Недостатком прототипа является то, что в положении рычагов, симметричном относительно линии, соединяющей центры зубчатых секторов, расположен зубчатый выступ, а у второго - впадина зубчатого зацепления. Поэтому рычаги являются разноименными узлами, что удваивает номенклатуру сборочных единиц устройства и, кроме того, при трудноразличимых на глаз отличиях, может приводить к браку из-за попадания на сборку одноименных рычагов, вместо разноименных.

Задачей изобретения является устранение этого недостатка. Техническим результатом, достигаемым изобретением, за счет которого решается поставленная задача, является повышение технологичности производства за счет уменьшения номенклатуры сборочных единиц и уменьшения вероятности ошибок на сборке.

Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для центрирования и удержания буровой колонны, содержащем корпус, шарнирно установленные на нем, каждый на своей оси, рычаги с образованными на них зажимными охватывающими поверхностями, связанные друг с другом посредством зубчатых секторов, соосных шарнирам, обеспечивающих возможность согласованного симметричного поворота рычагов в противоположные стороны, отличием является, то, что зубчатое зацепление выполнено двухвенцовым, при этом зубья каждого из пары венцов смещены по окружности друг относительно друга на половину шага.

Предложенное решение улучшает технологичность, поскольку правый и левый рычаги являются абсолютно одинаковыми узлами, а не разноименными, и при этом трудноотличимыми друг от друга на глаз, как в прототипе.

Предложенное устройство может быть снабжено механическим приводом, в общем случае выполненным в виде любого источника механической силы. Однако наиболее целесообразным его вариантом является гидроцилиндр, шарнирно соединяющий концы рычагов, поскольку большинство буровых установок имеют гидропривод.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где показаны: фиг. 1 - устройство для центрирования и удержания буровой колонны, вид сверху с местным разрезом; фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1; фиг. 3 - вид рычага, показывающий взаимное смещение зубьев венцов на половину шага; фиг. 4 - вариант устройства с рычагами второго рода.

Устройство для зажима буровой колонны (фиг. 1) содержит корпус 1, установленные в нем, каждый на своей оси 2, рычаги 3, выполненные в виде рычагов первого рода, с образованными на них зажимными цилиндрическими поверхностями 4, охватывающими реборду шнековой буровой колонны 5. На рычагах 3 образованы находящиеся друг с другом в зацеплении зубчатые секторы 6, соосные осям шарниров 2 одноименных рычагов и сопряженные друг с другом в положении, когда рычаги симметричны относительно плоскости, проходящей через оси 2. Зажимные поверхности 4 могут иметь как постоянную величину радиуса кривизны R, близкую к радиусу реборды зажимаемого шнека, так и переменную, что целесообразнее для работы со шнеками разного диаметра. В последнем случае направляющей линией для образования цилиндрической зажимной поверхности 4 могут быть кривые с переменным радиусом, например парабола, гипербола или эллипс (не показаны). Это позволит уменьшить контактные напряжения, возникающие при зажиме шнеков на реборде за счет их усреднения для шнеков разного диаметра и предупредить или существенно уменьшить деформацию их реборды. Для приведения в действие устройство снабжено приводом в виде гидроцилиндра, корпус 7 и шток 8, которого шарнирно связывают концы рычагов 3 друг с другом. Зубчатое зацепление выполнено двухвенцовым (фиг. 2), при этом зубья парных венцов взаимно смещены по окружности на половину окружного шага (фиг. 3). Это позволяет уменьшить номенклатуру составных частей устройства, поскольку правый и левый рычаги, в этом случае, являются абсолютно одинаковыми. Кроме того, в сварном варианте рычага становится возможным изготавливать зубчатый сектор без механической обработки, за одно целое с контуром рычага из листа меньшей толщины методом воздушно-плазменной или лазерной резки, что удешевляет изготовление. Для защиты зубчатого сопряжения от попадания бурового шлама предусмотрен эластичный экран 9 (фиг. 1) из резины или другого эластомера.

Заявленное устройство также может быть выполнено с зажимными рычагами, выполненными в виде рычагов второго рода 10 (фиг. 4), сопряженных друг с другом, зубчатым зацеплением 11, аналогичным описанному выше, и осям 12, связывающими концы рычагов с корпусом 13. Средняя часть рычагов имеет криволинейную форму, а их внутренняя часть образует цилиндрическую зажимную поверхность 14, контактирующую, например, с обсадной колонной 18. Вторые концы рычагов 10 шарнирно связаны с гидроцилиндром 15.

Различия в работе описанных вариантов выполнения заявленного устройства не существенны и с заявленной технической сущностью не связаны. Работает оно во всех описанных вариантах исполнения следующим образом. Перед забуриванием колонны подают давление в бесштоковую полость гидроцилиндра, который поворачивает рычаги навстречу друг другу до обеспечения минимального зазора между шнеком 5 и охватывающей его зажимной поверхностью 4 или обсадной трубой 15 и зажимной поверхностью 14 для центрирования того или иного бурового снаряда. При этом зубчатое зацепление 6 или 11, связывающее рычаги, обеспечивают их положение, в котором ось зажимной поверхности, охватывающей шнек или другую буровую колонну, совпадает с осью вращателя буровой установки (не показаны). Производят забуривание, после окончания которого, подавая давление в штоковую полость гидроцилиндра, отводят зажимные поверхности и осуществляют бурение. При необходимости зажать буровую колонну при ее подъеме из скважины и демонтаже после окончания бурения, подают давление в бесштоковую полость, рычаги поворачиваются до возникновения зажимного усилия в конце хода. При этом в процессе осуществления зажима буровой колонны зубчатое зацепление рычагов от усилия зажима разгружены, а при центрировании в процессе забуривания воспринимают только центробежную силу вращающегося шнека.

Заявленное устройство, в отличие от прототипа, уменьшает номенклатуру сборочных единиц, поскольку оба рычага одинаковы, в отличие от прототипа, где правый и левый отличаются друг от друга. Это упрощает производство. Кроме того, трудноразличимые на глаз, правый и левый рычаги прототипа, приводили к ошибкам в сборке, куда попадали одноменные рычаги. Эта вероятность заявленным устройством исключается в принципе. Его применение в буровой установке, по сравнению с другими известными аналогами, существенно уменьшает смещение оси устья скважины относительно оси шпинделя вращателя, что в процессе ее бурения исключает знакопеременную нагрузку на буровую колонну в виде ее изгиба с одновременным вращением возникающую при упомянутом смещении. Это повышает срок службы буровой колонны (прежде всего шнековой, из-за ее жесткой связи со стенками скважины) за счет уменьшения вероятности усталостного разрушения ее сварных соединений, вызванного знакопеременной нагрузкой. Исключается также перегрузка направляющих каретки вращателя и подшипников его шпинделя, вызванная несовпадением осей вращения буровой колонны и шпинделя. Зубчатая передача, связывающая рычаги, может иметь достаточный ресурс даже в условиях абразивной среды, поскольку находится вне больших нагрузок, связанных с действием зажимного усилия.