ПАТРОН-ЭЛЕВАТОР

Изобретение относится к бурению скважин и может быть применено для передачи вращения на буровую колонну и проведения спускоподъемных операций на буровых установках с подвижным вращателем.

Преимущественная область применения - геологоразведка с помощью мобильных буровых установок.

Известен элеватор для шнеков, применяемый в буровой установке шнекового бурения УШ-2Т4 (Руководство по эксплуатации УШ2Т4.00.00.000 РЭ, ОАО "Геомаш", г. Щигры, 2002 г., лист 19).

Элеватор состоит из шпинделя (ведущее звено) и хвостовика (ведомое звено), связанных друг с другом с помощью хомута (вертлюга), обеспечивающего возможность их взаимного вращения, и штоков, обеспечивающих возможность взаимного осевого перемещения и поворота вокруг горизонтальной оси. Шпиндель и хвостовик на обращенных друг к другу торцах имеют кулачки, образующие муфту для передачи крутящего момента. На нижней части хвостовика в поперечной плоскости расположена поворотная подпружиненная защелка, взаимодействующая с кольцевыми проточками на штоках, предназначенная для фиксации верхнего положения хвостовика, в котором кулачки муфты сцеплены друг с другом и передают крутящий момент на буровую колонну.

Описанный элеватор обеспечивает безопасность работ при проведении спускоподъемных операций, т.к. в выключенном положении обеспечивает механическое разъединение шпинделя и хвостовика с возможностью отклонения последнего от вертикали на необходимый угол.

Однако это устройство, решая проблему безопасной работы, имеет достаточно сложную конструкцию, недолговечно и ненадежно в эксплуатации.

Первой причиной недолговечности элеватора является то, что центрирующий элемент шпинделя выступает далеко вниз от оси шарниров, на которых подвешена к вертлюгу нижняя часть элеватора. Это приводит к несовпадению центрирующего элемента с ответным ему отверстием хвостовика даже при незначительном угловом смещении осей шпинделя и хвостовика. Это, в свою очередь, приводит к большим контактным напряжениям на сопрягаемых кромках муфты и их интенсивному износу в момент включения муфты, поскольку оно происходит под силовым воздействием опускающегося вращателя.

Во-вторых, включение муфты происходит при жесткой осевой подаче вращателя. При этом на кромках кулачков, до момента их полного сцепления друг с другом, возникают большие контактные напряжения, приводящие к их быстрому скруглению и износу.

Кроме того, конструкция защелки, фиксирующей включенное положение муфты, сложна, чувствительна к загрязнениям и повреждениям, и поэтому ненадежна.

Известен также патрон-элеватор для шнеков, применяемый, в частности, в передвижной буровой установке ПБУ-2 (Каталог деталей и сборочных единиц. Установка буровая передвижная ПБУ-2. ОАО "Геомаш", г. Щигры, 2001 г., лист 45).

Этот патрон-элеватор по кинематической схеме аналогичен предыдущему. Он имеет шпиндель (ведущее звено) и хвостовик (ведомое звено), связанные через хомут (вертлюг), размещенный на первом из них, с помощью двух тяг, шарнирно подвешенных на хомуте. В отличие от предыдущего аналога, муфта, передающая крутящий момент на буровую колонну, образована Т-образным байонетным пазом, выполненным на верхней части хвостовика и пальцем, жестко закрепленном в поперечном отверстии цилиндрического конца шпинделя, обращенного к хвостовику. При этом тяги, связывающие шпиндель и хвостовик, имеют пазы для обеспечения осевого хода хвостовика относительно шпинделя. Верхние концы тяг связаны с вертлюгом шарнирно и обеспечивают возможность поворота хвостовика в вертикальной плоскости при нижнем положении хвостовика, когда он выведен из байонетного зацепления со шпинделем и не передает момент на буровую колонну. Рабочее (включенное) положение муфты фиксируется одним из крайних положений пальца шпинделя (ведущего звена) в байонетном пазу.

Этот аналог, как и предыдущий, обеспечивает безопасность в момент присоединения очередной буровой трубы при наращивании буровой колонны, или ее отсоединения при демонтаже колонны. Но он имеет более простую конструкцию.

Однако упрощение рассматриваемого патрона-элеватора достигнуто ценой снижения его ресурса и надежности. Причины этого недостатка заключаются в том, что функцию фиксации включенного положения муфты выполняет байонетный паз хвостовика, снабженный выемками для пальца шпинделя, удерживающими хвостовик на пальце в одном из крайних положений в горизонтальной части байонетного паза.

Такая конструкция не исключает возможность смещения пальца в среднюю часть паза и его несанкционированного выключения при реверсе или резкой остановке вращения. Кроме того, как правило, палец до момента начала вращения бурового инструмента имеет свободный ход и поэтому передает крутящий момент с ударом, особенно при реверсе. Это снижает срок службы его самого и, что более существенно, кинематических звеньев вращателя бурового станка.

Кроме того, включение патрона, так же, как и в описанном первым аналоге, происходит за счет перемещения вращателя с возникновением значительного осевого усилия, изнашивающего палец до момента его совпадения с байонетным пазом.

И, наконец, описанный патрон-элеватор не освободился от недостатка предыдущего аналога, описанного выше, связанного с большим вылетом центрирующего шпинделя относительно оси подвески тяг, резко затрудняющими взаимное центрирование верхней и нижней частей элеватора при их угловом смещении, что приводит к их повышенному износу.

Патрон-элеватор наиболее близок к заявленному по технической сущности и принят в качестве прототипа.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение срока службы патрона за счет снижения интенсивности его износа. Поставленную задачу предполагается решить при одновременном упрощении конструкции патрона.

Поставленная задача решается тем, что в патроне-элеваторе, содержащем ведущее и ведомое звенья, связанные друг с другом вертлюгом с возможностью взаимного вращения вокруг вертикальной оси и взаимного поворота вокруг горизонтальной оси, а также муфту, исключающую упомянутые выше возможности во включенном положении, в отличие от прототипа, ведущее звено выполнено в виде вала некруглого сечения с осевым отверстием, ведомое звено, выполнено в виде вала с сечением, идентичным ведущему, вертлюг выполнен в виде круглого стержня, размещенного в отверстии ведущего звена, снабженного проушиной на нижнем конце, сопряженной поперечной осью с вилкой на верхнем конце ведомого звена, при этом муфта выполнена в виде гильзы, подвижной вдоль ведущего и ведомого звеньев и охватывающей их в нижнем положении.

Технический эффект изобретения - исключение контактных нагрузок при включении муфты - обеспечивается тем, что включение патрона производится без усилий, возникающих при принудительном включении муфты перемещением вращателя буровой установки, а под действием собственного веса муфты при выключенном приводе вращателя. Это резко снижает интенсивность износа рабочих поверхностей звеньев, передающих крутящий момент. Достижению этого эффекта способствует также уменьшение влияния углового смещения звеньев патрона на их взаимное центрирование в момент включения.

Поверхность сопряжения звеньев, передающих крутящий момент, выполнена шлицевой или в виде многогранника. Шлицевое сопряжение предпочтительнее из-за большей нагрузочной способности при тех же контактных напряжениях на рабочих поверхностях. Кроме того, оно технологичнее в массовом производстве.

Для расширения функциональных возможностей и повышения удобства в работе, муфта патрона имеет средство фиксации ее верхнего (выключенного) положения.

Наиболее целесообразным вариантом средства фиксации является втулка, сопряженная с возможностью вращения с верхней частью муфты и снабженная байонетными пазами, взаимодействующими с выступами на ведущем звене.

Для дистанционного управления с земли включением и выключением патрона, втулка снабжена кольцевым гребнем с равнорасположенными на нем гнездами для сцепления с ответной частью шеста ручного дистанционного управления. Применение шеста исключает необходимость подъема оператора наверх к патрону.

Шест имеет в нижней части две дугообразные рукоятки, а его верхняя часть, взаимодействующая с гнездами на гребне, выполнена в виде дуги с пальцами на концах. Этот вариант является наиболее простым по конструкции и удобным в эксплуатации.

На фиг.1 изображен патрон-элеватор во включенном положении; на фиг.2 - патрон-элеватор в выключенном положении; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1, вариант; на фиг.4 - сечение А-А на фиг.1, вариант; на фиг.5 - сечение Б-Б на фиг.1 по варианту на фиг.3; на фиг.6 - патрон-элеватор с фиксатором выключенного положения муфты, вариант; на фиг.7 - патрон-элеватор с фиксатором выключенного положения муфты, вариант; на фиг.8 - вид В на фиг.7; на фиг.9 - вид Г на байонетный паз на фиг.7; на фиг.10 - аксонометрический вид патрона-элеватора с шестом ручного дистанционного управления муфтой по варианту на фиг.7.

Патрон-элеватор состоит из ведущего звена 1 (фиг.1), имеющего ответную часть 2 для соединения с вращателем буровой установки (не показан), и осевое отверстие 3 для вертлюга 4. Вертлюг имеет свободно вращающийся в ведущем звене стержень с буртом 5 и проушину 6 (фиг.5) с поперечной осью 7, куда крепится вилка ведомого звена 8 (фиг.1, фиг.5). Ведомое звено имеет ответную часть 9 для соединения с ведущей трубой бурильной колонны (не показана). Снаружи ведущее и ведомое звенья охвачены муфтой 10, выполненной в виде подвижной вдоль ведущего звена гильзы. Рабочие поверхности ведущего звена, ведомого звена и муфты имеют форму многогранника (фиг.3) или шлицевый профиль (фиг.4). Изготовление многогранника с числом граней от 3 до 6 предпочтительно для мелкосерийного производства при использовании универсального оборудования. Шлицевый профиль имеет большую нагрузочную способность при тех же контактных напряжениях на рабочих поверхностях. Однако он является более технологичным для массового производства при использовании специального инструмента. В нижнем (включенном) положении муфты 10 ее рабочие поверхности охватывают рабочие поверхности ведомого звена 8. Ниже приведено описание патрона-элеватора, имеющего форму рабочих поверхностей ведущего, ведомого звеньев и муфты в виде шестигранника.

Дополнительным преимуществом предлагаемого патрона-элеватора по сравнению с прототипом является то, что заходная часть рабочего профиля ведомого звена 8 расположена близко к поперечной оси 7. В этом случае, при несоосности ведущего и ведомого звеньев, включение муфты возможно при значительно больших угловых смещениях, чем у прототипа, т.к. величина взаимного поперечного смещения их сопрягаемых поверхностей получается меньше, что облегчает включение муфты.

В верхнем (выключенном) положении муфта имеет средство фиксации известной конструкции, например, выполненное в виде подпружиненных пальцев 11 с рукоятками для расфиксации 12, входящих в ответные гнезда ведущего звена (фиг.6).

Однако более простым по конструкции и удобным в эксплуатации является вариант средства фиксации, выполненный в виде втулки 13 (фиг.7), расположенной с возможностью вращения в верхней части муфты 10. Втулка 13 снабжена байонетными пазами 14 (фиг.9), взаимодействующими с выступами 15 на ведущем звене. Втулка 13 имеет кольцевой гребень 16 с равнорасположенными гнездами 17 (фиг.8). Муфта включается и выключается как непосредственно руками оператора, так и специальным шестом для дистанционного управления 18 (фиг.10), на верхнем конце которого имеются пальцы 19, взаимодействующие с гнездами 17 кольцевого гребня 16, а нижний конец имеет дугообразные рукоятки 20.

Патрон-элеватор крепится на шпиндель вращателя и работает следующим образом.

Для проведения спускоподъемных операций при наращивании буровой колонны муфту 10 сдвигают вручную в верхнее положение и ведомое звено 8 поворачивают на оси 7 в горизонтальное положение (фиг.2) для присоединения буровой трубы (не показана). При этом муфта не имеет возможности включиться, т.к. отклоненное в сторону ведомое звено не дает муфте переместиться в нижнее положение. В этом (выключенном) положении ведомое звено можно поворачивать вокруг вертикальной оси вертлюга 4 и отклонять относительно горизонтальной оси 7. После присоединения буровой трубы к ответной части 9 ведомого звена производят подъем вращателя буровой установки с буровой трубой, последняя повисает вертикально над наращиваемой буровой колонной. При этом ведущее и ведомое звенья устанавливаются соосно. Поворачивая за нижний конец буровой трубы, совмещают грани рабочих поверхностей муфты и ведомого звена. При совмещении муфта под действием своего веса падает в нижнее положение на бурт ведомого звена, соединяя его с ведущим звеном для передачи крутящего момента. Далее производят соединение трубы с буровой колонной и осуществляют процесс бурения.

При демонтаже буровой колонны поднимают вращатель буровой установки вместе с колонной в верхнее положение. Отсоединяют верхнюю буровую трубу от колонны. С верхней площадки оператор сдвигает муфту 10 вверх, освобождая зацепление муфты с ведомым звеном 8. Далее отклоняют верхнюю буровую трубу вместе с ведомым звеном от вертикали, тем самым, обеспечивая невозможность включения муфты, опускают вращатель буровой установки с трубой и отсоединяют ее от ведомого звена.

Безопасность при спускоподъемных операциях при наращивании или демонтаже буровой колонны (в выключенном положении патрона) обеспечивает свободно вращающийся в ведущем звене вертлюг 4, не передающий крутящий момент. Случайное включение привода вращения буровой установки в этом случае не приведет к опасному вращению отсоединенной от колонны буровой трубы.

Патрон-элеватор, не имеющий фиксации выключенного положения, неудобен в работе. При демонтаже буровой колонны и в других случаях возникают ситуации, требующие выключения патрона при верхнем положении вращателя буровой установки. А это возможно только при наличии на установке верхней площадки для оператора, что снижает безопасность работ. Таким образом, предпочтительно работать патроном-элеватором, имеющим средство фиксации муфты в выключенном положении.

Патрон-элеватор, имеющий средство фиксации муфты в верхнем выключенном положении, работает следующим образом.

Для проведения спускоподъемных операций при наращивании буровой колонны муфту 10 сдвигают вручную в верхнее положение до сопряжения байонетного паза 14 с ответным выступом 15 ведущего звена и фиксируют в этом положении поворотом втулки 13. Ведомое звено 8 отклоняют в сторону на оси 7 для присоединения буровой трубы. Присоединяют буровую трубу.

Поворачивают втулку 13 с кольцевым гребнем 16 в обратном направлении для вывода из зацепления байонетного паза 14 с ответным выступом 15. Производят подъем вращателя буровой установки с буровой трубой, последняя повисает вертикально над наращиваемой буровой колонной. При этом ведущее 1 и ведомое 8 звенья устанавливаются соосно. Поворачивая за нижний конец буровой трубы, совмещают грани рабочих поверхностей муфты 10 и ведомого звена 8. При совмещении муфта под своим весом падает в нижнее положение на бурт ведомого звена и фиксирует ведомое звено. Происходит включение муфты и центрирование ведомого звена относительно ведущего. Далее производят соединение трубы с буровой колонной.

Поворот втулки с кольцевым гребнем для расфиксации возможен и в верхнем положении вращателя. В этом случае используют шест ручного дистанционного управления, который, взаимодействуя с гнездами 17 на гребне 16 втулки, позволяет управлять муфтой патрона с земли, исключая необходимость подъема оператора наверх к патрону.

Шест ручного дистанционного управления 18 имеет в нижней части две дугообразные рукоятки 20, а его верхняя часть, взаимодействующая с гнездами на гребне, выполнена в виде дуги с пальцами 19 на концах. Основным преимуществом такого шеста является удобство в работе.

При демонтаже буровой колонны муфту 10 сдвигают вручную в верхнее положение до сопряжения байонетного паза 14 с ответным выступом 15 ведущего звена 1 и фиксируют в этом положении поворотом втулки 13 с кольцевым гребнем 16 (выключенное положение). Поднимают вращатель буровой установки вместе с колонной в верхнее положение. Отсоединяют верхнюю буровую трубу от колонны. Далее отклоняют верхнюю буровую трубу вместе с ведомым звеном от вертикали, опускают вращатель буровой установки с трубой и отсоединяют ее от ведомого звена. При необходимости включить вращение шпинделя вращателя в процессе подъема для облегчения извлечения колонны, патрон-элеватор в любое время можно включить или выключить с земли, используя шест ручного дистанционного управления. С другой стороны, при случайном включении вращения шпинделя при выключенном положении патрона-элеватора, крутящий момент на ведомое звено не передается.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволит, обеспечивая безопасность спускоподъемных операций, повысить срок службы патрона-элеватора за счет снижения интенсивности его износа устранением нагрузок при включении и выключении, а также обеспечивая центрирование ведущего и ведомого звеньев до полного включения. Следовательно, оно обеспечивает технический эффект и может быть осуществлено с помощью известных в технике средств, т.е. обладает промышленной применимостью. При этом патрон имеет более простую и надежную конструкцию, чем у прототипа.