Устройство для фрикционного взаимодействия с трубными изделиями

1 Данное изобретение относится к устройству для захвата и фиксации труб, содержащему средства последующего ослабления захвата и включающему разъемный корпус для продвижения по направлению к трубе и ее охвата, при этом в корпусе находится и удерживается, по меньшей мере, один захватный элемент, выполненный с возможностью приведения в действие с обеспечением его прижатия с большой силой к трубе. Изобретение также относится к разъемному завинчивающему и затягивающему ключу для свинчивания и докрепления трубных соединений, содержащему внешний неподвижный корпус, который имеет ведущую шестерню, соединенную с приводным двигателем, внутренний поворотный корпус, который имеет ведомый зубчатый венец, находящийся в зацеплении с ведущей шестерней, и, по меньшей мере, один элемент для захвата трубы, причем внутренний корпус имеет внутреннюю механическую или гидравлическую систему, выполненную с возможностью приведения в действие указанного,по меньшей мере, одного захватного элемента. Завинчивающий и затягивающий трубный ключ этого вида известен из патента Норвегии 163973, автором которого является автор настоящего изобретения. При бурении скважин на нефть и газ на суше или на море используются бурильные трубы длиной примерно 9,5 или 14 м и диаметром 90-170 мм. Скважины в процессе бурения укрепляют и уплотняют обсадными трубами длиной приблизительно 12 м и диаметром 178-510 мм. Все эти трубы имеют резьбовые соединения,которые необходимо докреплять при относительно высоком крутящем моменте, чтобы обеспечить герметичность этих соединений и не допустить их ослабления при вращении. Это означает, что одной из основных операций во время бурения скважин является докрепление и разъединение трубных соединений. В целом, на каждую скважину приходится примерно от 2 до 4000 таких соединительных операций. В течение последних 25 лет для этих операций используют механизированные инструменты. Существующее механизированное оборудование для соединения труб во время бурения можно разделить на две категории - приводные ключи для бурильных труб и приводные ключи для обсадных труб. Эти ключи представляют собой инструменты двух различных видов, из которых приводной ключ для бурильных труб постоянно установлен на бурильной площадке,а приводной ключ для обсадных труб собирают каждый раз, когда обсадную колонну необходимо опустить в скважину. При существующей технологии такое оборудование должно создаваться индивидуально; обсадные трубы имеют тонкостенные соединения, в то время как бурильные трубы имеют толстостенные соединения. Для сборки и разборки оборудования при 2 опускании обсадных труб требуется ручная работа в существенном объеме. Традиционный приводной ключ для бурильных труб содержит два основных узла верхний узел с приводными роликами для завинчивания по резьбе, пока эта операция происходит свободно (завинчивающий ключ), и нижний узел, который докрепляет соединение с заданным крутящим моментом. Это означает, что полный рабочий цикл состоит из многих операций, которыми нужно последовательно управлять. Прежде всеми этими функциями управляли вручную, но в последние годы они почти все управляются посредством систем программируемой логики (PLS). Механическая конструкция в целом не подходит для автоматического последовательного управления, которое во многих случаях приводит к тому, что последовательность рабочих операций в автоматизированных механизмах осуществляется медленнее,чем в механизмах, управляемых вручную. Данный приводной ключ представляет совершенно новую концепцию трубного ключа,которая объединяет завинчивающий ключ и затягивающий ключ в один блок и при которой элементы ключа являются легко заменяемыми,вследствие чего с помощью этого же механизма можно также пропускать и обсадные трубы. Согласно данному изобретению предложены устройство для захвата и фиксации трубы и разъемный завинчивающий и затягивающий трубный ключ упомянутого вначале типа, причем устройство отличается тем, что указанный,по меньшей мере, один захватный элемент представляет собой упругое несжимаемое тело,которое может подвергаться деформации, и имеет радиально внутреннюю поверхность, создающую трение, для непосредственного взаимодействия с трубой. В одном варианте выполнения корпус образован двумя основными элементами, расположенными с возможностью перемещения по отношению друг к другу и приложения силы к упругому несжимаемому телу, так что это тело подвергается деформации с расширением, по существу, в радиальном внутреннем основном направлении. В предпочтительном случае упругое несжимаемое тело может быть выполнено из резинового эластомерного материала, который заключает в себе объем геля или жидкости. Упругое несжимаемое тело может быть упрочнено, например армировано сталью. Создающая трение поверхность соответственно может включать твердые частицы, предпочтительно из твердого металла, заделанные в эластомерный материал при вулканизации. В одном варианте выполнения один из указанных основных элементов корпуса установлен с возможностью перемещения в осевом направлении относительно трубы ко второму основному элементу и приложения зажимаю 3 щей силы к упругому несжимаемому телу с обеспечением его деформации, направленной радиально внутрь. В подходящем случае указанное осевое перемещение между основными элементами корпуса и зажимающую силу могут вызывать гидравлические цилиндры. В завинчивающем и затягивающем ключе указанное, по меньшей мере, одно упругое несжимаемое тело приводится в действие посредством внутренней гидравлической системы, которая, в свою очередь, приводится в действие путем поворота этого завинчивающего и затягивающего ключа. Предлагаемые устройство для захвата и фиксации трубы и разъемный завинчивающий и затягивающий ключ могут быть встроены в качестве составных элементов в единый комбинированный приводной трубный ключ, описанный более подробно в находящейся одновременно на рассмотрении международной заявке на патентPCT/NO 99/00399, озаглавленной "Комбинированный приводной трубный ключ со встроенным устройством для отсасывания бурового раствора и смазывания резьбы". Другие дополнительные цели, особенности и преимущества станут понятными из последующего описания одного из предпочтительных вариантов осуществления изобретения, которое приведено с иллюстративной целью, не ограничивает объем притязаний и рассматривается в контексте с приложенными чертежами, где фиг. 1 А и 1 В схематически изображают соответственно в продольном разрезе и на виде сверху завинчивающий и затягивающий ключ в нерабочем состоянии; фиг. 2 А и 2 В схематически изображают показанный на фиг. 1 А и 1 В ключ в рабочем состоянии; фиг. 3 схематически изображает продольный разрез завинчивающего и затягивающего ключа и расположенного снизу придерживающего ключа в положении свинчивания трубных соединений; фиг. 4 схематически изображает продольный разрез показанных на фиг. 3 ключей в положении после свинчивания трубных соединений; фиг. 5 схематически изображает показанные на фиг. 1-4 ключи, используемые для обсадной трубы диаметром 500 мм; фиг. 6 схематически изображает показанные на фиг. 1-4 ключи, используемые для обсадной трубы диаметром 300 мм; фиг. 7 в аксонометрии схематически изображает соответствующий захватный элемент,фиг. 8 изображает поперечное сечение захватного элемента, показанного на фиг. 7; и фиг. 9 в большем масштабе изображает элемент, обведенный на фиг. 8 рамкой. Фиг. 1 А и 1 В изображают завинчивающий и затягивающий трубный ключ 1. Ключ 1 имеет 4 внешний неподвижный корпус 5 и внутренний поворотный корпус 2. Во внешнем корпусе 5 имеется ведущая шестерня 9, которая находится в зацеплении с зубьями ведомого зубчатого венца 3, присоединенного к поворотному корпусу 2 и удерживаемого в нем. Внешний неподвижный корпус 5, внутренний поворотный корпус 2 и ведомый зубчатый венец 3 являются разъемными, т.е. они могут быть разомкнуты для продвижения в направлении трубы в разомкнутом состоянии и затем сомкнуты для охвата трубы. Оба корпуса 5, 2 и венец 3 имеют разделительную линию, по которой они могут быть разомкнуты. Перед размыканием корпусов 5, 2 и венца 3 соответствующие разделительные линии необходимо совместить. Это означает,что внутренний корпус 2 и венец 3 должны быть повернуты по отношению к внешнему корпусу 5, чтобы их разделительная линия D совпала с разделительной линией этого корпуса 5. Во внутреннем корпусе 2 расположен и удерживается, по меньшей мере, один захватный элемент 4, который представляет собой упругое несжимаемое тело. Это означает, что он не может изменять свой объем, а только лишь форму. Захватные элементы 4 описаны более подробно ниже со ссылкой на фиг. 7-9. Корпус 2 включает также зажимную часть 6, присоединенную к гидравлической системе, которая может приводить в действие гидравлические зажимные цилиндры 7, действующие непосредственно на зажимную часть 6. Захватные элементы 4 в осевом и радиальном направлениях ограничены снаружи соответственно корпусом 2 и зажимной частью 6, так что деформация может происходить, по существу, только в радиальном внутреннем направлении. Путем приведения гидравлической системы в действие к цилиндрам 7 прикладывается давление, которое прижимает часть 6 в осевом направлении к захватным элементам 4, для которых корпус 2 является упором. Таким образом, указанные несжимаемые тела могут расширяться только в одну сторону, а именно радиально внутрь по направлению к трубе. Эта обращенная внутрь поверхность имеет поверхность 4F трения. Обращенная в наружном направлении поверхность также может иметь созданную обычным образом поверхность трения, возможно, шипы или зубья,которые находятся в зацеплении с соответствующими шипами или зубьями в корпусе 2. Фиг. 2 А и 2 В показывают ключ 1 в рабочем состоянии (без трубы) и иллюстрируют деформацию, которая происходит в захватных элементах 4. Между зубчатым венцом 3 и корпусом 2 расположены два насосных цилиндра 8,диаметрально друг против друга. Насосные цилиндры 8 с одного конца удерживаются зубчатым венцом 3, а с противоположного конца поворотным корпусом 2. Насосные цилиндры 8 обеспечивают соединение между зубчатым венцом 3 и корпусом 2. Однако между венцом 3 и 5 корпусом 2 присутствует степень вращательной подвижности, которая ограничена длиной хода насосных цилиндров 8. Венец 3 поворачивается посредством ведущей шестерни 9, которая приводится в движение гидравлическим двигателем(не показан). В корпусе 2 имеются четыре цилиндра 7,называемые зажимными цилиндрами, которые могут воздействовать на зажимную часть 6, которая, в свою очередь, прикладывает давление к захватным элементам 4. Четыре цилиндра 7 находятся в гидравлической связи с насосными цилиндрами 8 в замкнутой гидравлической системе. При повороте ведущей шестерни 9 и, следовательно, зубчатого венца 3 насосные цилиндры 8 сжимаются. Трение между зажимной частью 6 и корпусом 2 превышает трение между зубчатым венцом 3 и корпусом 2, так что насосные цилиндры 8 оказываются полностью сжатыми, прежде чем зажимная часть 6 вовлекается во вращение. Это обуславливает то, что к цилиндрам 7 прикладывается давление, соответствующее сжатию насосных цилиндров 8. Данное обстоятельство проиллюстрировано на фиг. 2 А и 2 В. Перемещение цилиндров 7 приводит, в свою очередь, к тому, что захватные элементы 4 сжимаются и приобретают меньший внутренний диаметр, в результате чего возникает зажимная сила, действующая на трубу. Фиг. 3 изображает ключ 1, который удерживает бурильную трубу 20, подготовленную для завинчивания в гнездовой конец второй бурильной трубы 21. Вторая бурильная труба удерживается устройством для захвата и фиксации трубы, в дальнейшем называемым придерживающим ключом 10. Изображенный ключ 10 представляет собой простейший вариант, заключающий в себе достоинства данного изобретения. Ключ 10 содержит неподвижный разъемный корпус 15, имеющий основную часть 12 и зажимную часть 16, которые выполнены с возможностью осевого перемещения относительно трубы 21 друг к другу. В представленном варианте выполнения изобретения именно зажимная часть 16 выполнена с возможностью смещения посредством гидравлического цилиндра 17, а основная часть 12 действует как упор. Захватные элементы 14 под воздействием зажимной части 16 сжимаются и прижимаются радиально внутрь к бурильной трубе 21. Радиально внутренняя поверхность 14F трения захватных элементов 14 обеспечивает непосредственное взаимодействие с бурильной трубой 21. Ключ 10, включая все элементы, может быть разомкнут по разделительной линии для продвижения к трубе и потом сомкнут для охвата бурильной трубы 21. Фиг. 4 иллюстрирует ситуацию, при которой стержневой конец бурильной трубы 20 ввинчен в гнездовой конец бурильной трубы 21 посредством ключа 1. В ходе такой операции 6 свинчивания ключи 1, 10 перемещаются в осевом направлении друг к другу (обычно ключ 1 перемещается к ключу 10). Зажимные цилиндры 17 приводятся в действие обычной гидравлической системой, которая подает давление к их поршням. Фиг. 5 иллюстрирует другую ситуацию,когда завинчивающий и затягивающий ключ 1' другой конструкции используется на обсадной трубе 30 диаметром 20 дюймов (50,8 см), которая должна быть завинчена в соответствующую обсадную трубу 31. Обсадная труба 31 фиксируется придерживающим ключом 10' другой конструкции. Конфигурация и момент силы ключа 1' таковы, что он, в частности, подходит для приложения крутящего момента докрепления к обсадным трубам. Фиг. 6 иллюстрирует еще одну ситуацию,когда завинчивающий и затягивающий ключ 1" другой конструкции используется на обсадной трубе 40 диаметром 133/8 дюймов (34 см), которая должна быть завинчена в соответствующую обсадную трубу 41. Обсадная труба 41 фиксируется придерживающим ключом 10" еще одной конструкции. Конфигурация и момент силы ключа 1" таковы, что он, в частности, подходит для приложения крутящего момента докрепления к такой обсадной трубе 40 меньшего диаметра. Фиг. 7 изображает вариант выполнения захватного элемента 4, а также иллюстрирует соответствующий захватный элемент 14 придерживающего ключа 10. Однако здесь описан только захватный элемент 4 завинчивающего и затягивающего ключа. Один целый захватный элемент собирается воедино из двух его показанных половин. Соответствующие половины элемента могут быть шарнирно соединены в одной точке, но непременно с возможностью размыкания для возможности продвижения к трубам 20, 21; 30, 31; 40, 41 и их охвата. Как отмечено выше, захватные элементы 4, 14 являются и упругими, и несжимаемыми. Когда элементы испытывают нагрузку, они не изменяют свой объем, а только подвергаются деформации. Внутренняя поверхность 4F предназначена для взаимодействия с трубой. Внешняя поверхность 4S находится в корпусе 5, 15 и создает фрикционное взаимодействие с его внутренней поверхностью. Как показано на фиг. 8, захватный элемент 4 может быть образован внешней оболочкой,заключающей в себе гель G или жидкость. Один пример более детального строения оболочки 11 показан на фиг. 9. Оболочка 11 показана в виде слоистого материала, имеющего внутренний слой 11 А из резины, заделанный упрочняющий слой 11 В со стальной прокладкой (как вариант с балатой) и внешний фрикционный слой 11 С из резины с заделанными и выступающими твердыми частицами 13, например частицами твердого металла. 7 Следует понимать, что конструкция и конфигурация захватных элементов 4, 14 могут допускать много вариантов. Однако существенным является то, что они выполнены в виде упругих несжимаемых тел. Например, эти элементы могут также иметь частицы 13, заделанные во внешнюю захватную поверхность 4S, которая примыкает к корпусу 5, или во всю внешнюю поверхность элемента. В особых случаях может также оказаться необходимым дополнительно увеличить трение, например, путем создания шипов или зубцов внутри корпуса 5 и соответственно зубцов на радиально внешней поверхности 4S захватных элементов 4, 14. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство (10) для захвата и фиксации трубы (21), содержащее средства последующего ослабления захвата и включающее разъемный корпус (15) для продвижения по направлению к трубе (21) и ее охвата, при этом в корпусе (15) находится и удерживается, по меньшей мере,один захватный элемент (14), выполненный с возможностью приведения в действие с обеспечением его прижатия с большой силой к трубе(21), отличающееся тем, что указанный, по меньшей мере, один захватный элемент (14) представляет собой упругое несжимаемое тело,которое может подвергаться деформации, и имеет радиально внутреннюю поверхность(14F), создающую трение, для непосредственного взаимодействия с трубой (21). 2. Разъемный завинчивающий и затягивающий трубный ключ (1) для свинчивания и докрепления трубных соединений (22, 23), содержащий внешний неподвижный корпус (5),который имеет ведущую шестерню (9), соединенную с приводным двигателем, внутренний поворотный корпус (2), который имеет ведомый зубчатый венец (3), находящийся в зацеплении с ведущей шестерней (9), и, по меньшей мере,один элемент (4) для захвата трубы (20), причем внутренний корпус (2) имеет внутреннюю механическую или гидравлическую систему (8),выполненную с возможностью приведения в действие указанного, по меньшей мере, одного захватного элемента (4), отличающийся тем, что указанный, по меньшей мере, один захватный элемент (4) представляет собой упругое несжимаемое тело, которое может подвергаться деформации, и имеет радиально внутреннюю поверхность (14F), создающую трение, для непосредственного взаимодействия с трубой (20). 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что корпус (5; 15) образован двумя основ 003648 8 ными элементами (2; 12 и 6; 16), расположенными с возможностью перемещения по отношению друг к другу и приложения силы к указанному, по меньшей мере, одному упругому несжимаемому телу (4, 14), так что это тело (4, 14) подвергается деформации с расширением, по существу, в радиальном внутреннем основном направлении. 4. Устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что указанное, по меньшей мере,одно упругое несжимаемое тело (4; 14) содержит резиновый эластомерный материал, заключающий в себе объем геля или жидкости. 5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что упругое несжимаемое тело(4; 14) упрочнено, например армировано сталью. 6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что создающая трение поверхность (4F; 14F) включает твердые частицы (13),предпочтительно из твердого металла, заделанные в эластомерный материал при вулканизации. 7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что упругое несжимаемое тело(4; 14) содержит внешнюю оболочку (11) в виде слоистого материала, включающего внутренний слой (11 А) из резины, заделанный упрочняющий слой (11 В) и внешний фрикционный слой(11C). 8. Устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что один из указанных основных элементов (6; 16) корпуса (5; 15) установлен с возможностью перемещения в осевом направлении относительно трубы (20; 21) ко второму основному элементу (2; 12) и приложения зажимающей силы к указанному, по меньшей мере, одному упругому несжимаемому телу (4; 14) с обеспечением его деформации, направленной радиально внутрь. 9. Устройство по п.8, отличающееся тем,что осевое перемещение между основными элементами (2; 12 и 6; 16) корпуса (5; 15) и зажимающую силу вызывают гидравлические цилиндры (7; 17). 10. Устройство по любому из пп.2-9, отличающееся тем, что в завинчивающем и затягивающем ключе (1) указанное, по меньшей мере,одно упругое несжимаемое тело (4) приводится в действие посредством внутренней гидравлической системы (8), которая приводится в действие путем поворота этого завинчивающего и затягивающего ключа (1).