Комбинированный приводной трубный ключ со встроенным устройством для отсасывания бурового раствора и смазывания резьбы

1 Данное изобретение относится к приводному трубному ключу, содержащему разъемный завинчивающий и затягивающий трубный ключ для свинчивания и докрепления трубных соединений и расположенный снизу разъемный придерживающий трубный ключ для неподвижного удержания трубы, причем эти ключи выполнены с возможностью осевого перемещения друг к другу и друг от друга. Завинчивающий и затягивающий трубный ключ этого вида известен из патента НорвегииNO 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 опускании обсадных труб требуется ручная работа в существенном объеме. Во многих случаях во время операций по извлечению бурильной колонны последняя оказывается заполненной буровым раствором. Колонну разбирают на участке длиной порядка 30 м, и при отделении этого участка весь объем бурового раствора вытекает и разливается по бурильной площадке. Объем этого раствора составляет от 125 до 500 л. Благодаря высоте столба бурового раствора и его высокой удельной плотности статическое давление бурового раствора на уровне бурильной площадки иногда достигает порядка 5 бар (500 кПа). В силу производственных условий и других практических 2 причин нельзя допускать растекание раствора по бурильной площадке, и поэтому устанавливают юбку для бурового раствора, окружающую трубное соединение (см. фиг. 1). Эта операция требует и усилий, и временных затрат, и во многих случаях она связана с неблагоприятными последствиями для окружающей среды, определяемыми производственными условиями. В последние годы в нефтяной отрасли норвежской промышленности устанавливают механически управляемые рубашки для бурового раствора. Во время опускания бурильной колонны в скважину трубные соединения перед их свинчиванием необходимо очистить и смазать. Традиционно это представляет собой ручную операцию с использованием щеток. В последние годы, однако, для этой цели применяют механизмы различных типов. Однако, поскольку такие механизмы расположены обособленно от приводного ключа и несомненно подвергаются повреждениям, их применение является не очень успешным. Кроме того, они затрудняют работу. Данная область промышленности испытывает существенную потребность в надежном оборудовании, предназначенном для осуществления этой операции, поскольку производственные условия, которые подразумевают выполнение ручных работ среди последовательности автоматизированных и механизированных операций,нельзя считать приемлемыми. 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 трубный ключ представляет совершенно новую концепцию ключа,которая объединяет завинчивающий ключ и затягивающий ключ в один блок и объединяет оборудование, собирающее и отсасывающее буровой раствор, и оборудование для очистки и смазки резьбы. Кроме того, элементы ключа являются легко заменяемыми, вследствие чего с помощью этого же механизма можно также пропускать и обсадные трубы. Согласно данному изобретению, предложен приводной ключ упомянутого в начале типа, который отличается тем, что между завин 3 чивающим и затягивающим ключом и придерживающим ключом расположены затвор для жидкости и отсасывающее приспособление для удаления из указанного затвора жидкости, вытекающей из трубного элемента во время разъединения трубных соединений. В одном из вариантов выполнения изобретения затвор для жидкости образован спускающейся вниз от завинчивающего и затягивающего ключа юбкой, которая по окружности ограничивает этот затвор и изолирует придерживающий ключ. В предпочтительном случае юбка может быть выполнена из гибкого материала, прогибающегося внутрь при осевом перемещении затягивающего ключа и придерживающего ключа друг к другу. Во втором варианте выполнения изобретения затвор для жидкости может быть по окружности ограничен складным кожухом или сильфоном. Преимущественно может быть встроено автоматическое устройство для смазки резьбы,расположенное между завинчивающим и затягивающим ключом и придерживающим ключом и приводимое в действие перед началом операции свинчивания трубных соединений. В предпочтительном случае завинчивающий и затягивающий ключ, придерживающий ключ, затвор для жидкости и устройство для смазки резьбы могут быть объединены и размещены на тележечном шасси, передвигающемся по площадке и имеющем вертикальную стойку для направления перемещения завинчивающего и затягивающего ключа и придерживающего ключа в вертикальном направлении друг к другу и друг от друга. Ключи могут содержать стопорный механизм, удерживающий неподвижный корпус собранным, когда ключи находятся в действии. При докреплении трубных соединений с определенным крутящим моментом могут использоваться рабочий цилиндр и упор, создающий зацепление с ведомым зубчатым венцом. 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, на которых фиг. 1 схематически иллюстрирует ситуацию при разъединении бурильных труб,фиг. 2 схематически изображает вертикальную проекцию одного укомплектованного приводного трубного ключа, предложенного в данном изобретении,фиг. 3 схематически изображает вид сверху приводного трубного ключа, показанного на фиг. 2, 003561 4 фиг. 4 схематически изображает вид спереди приводного трубного ключа, показанного на фиг. 2,фиг. 5 А и 5 В схематически изображают соответственно в продольном разрезе и на виде сверху завинчивающий и затягивающий ключ в нерабочем состоянии,фиг. 6 А и 6 В схематически изображают показанный на фиг. 5 А и 5 В ключ в рабочем состоянии,фиг. 7 схематически изображает продольный разрез завинчивающего и затягивающего ключа и расположенного снизу придерживающего ключа в положении свинчивания трубных соединений,фиг. 8 схематически изображает продольный разрез показанных на фиг. 7 ключей в положении после свинчивания трубных соединений,фиг. 9 схематически изображает показанные на фиг. 5-8 ключи, используемые для обсадной трубы диаметром 500 мм,фиг. 10 схематически изображает показанные на фиг. 5-8 ключи, используемые для обсадной трубы диаметром 300 мм,фиг. 11 схематически изображает продольный разрез второго варианта выполнения затвора для жидкости, расположенного между завинчивающим и затягивающим ключом и расположенным снизу придерживающим ключом, а также устройства для промывки и смазки резьбы,фиг. 12 изображает второй вариант выполнения изобретения, показанный на фиг. 11, когда завинчивающий и затягивающий ключ и придерживающий ключ смещены друг к другу,и фиг. 13 схематически изображает вид сверху придерживающего ключа, соответственно снабженного приспособлением для промывки и устройством для смазки резьбы. Фиг. 1 иллюстрирует ситуацию при бурении скважин на нефть и газ как на суше, так и на море. Часто используются бурильные трубы длиной приблизительно 9,5 или 14 м и диаметром 90 - 170 мм. Они, в свою очередь, собраны в бурильные свечи 26, состоящие из трех отдельных труб указанной длины. Бурильные свечи подвешивают на подъемнике 27, свисающем с кронблока в верхней части буровой вышки (на чертеже не показана). Бурильные свечи собирают в бурильную колонну посредством приводного трубного ключа 25, который можно перемещать по бурильной площадке к центру бурения и от него. И наоборот, при разборке бурильной колонны бурильные свечи, состоящие из трех отдельных труб, отделяют от этой бурильной колонны. При этом приводной трубный ключ 25 используют для разборки и развинчивания соединений труб. Укомплектованный объединенный приводной ключ 25 показан целиком на фиг. 2. Он 5 состоит из трех основных блоков: тележки с шасси 24, имеющей приводные средства и выполненной с возможностью регулировки по высоте, завинчивающего и затягивающего ключа 1 и придерживающего ключа 10. Тележка 24 оснащена комплектами колес, катящихся по рельсам, которые проложены по бурильной платформе или площадке. Тележка 24 может перемещаться по рельсам к центру и от центра бурения, который определяется продольной осью бурильной свечи 26, показанной на фиг. 1. Ключ 1 установлен с возможностью подъема и спуска вдоль вертикальной стойки тележки 24. Аналогично ключ 10 установлен с возможностью подъема и спуска вдоль этой же вертикальной стойки. Между ключами 1 и 10 расположена юбка 19, которая ограничивает затвор 35 для жидкости, предназначенный для сбора бурового раствора, остающегося в бурильной свече 26, когда последнюю разъединяют и вынимают из бурильной колонны. Юбка более подробно показана на фиг. 7 и 8. Фиг. 3 изображает приводной трубный ключ 25 сверху. Ключи 1 и 10 могут быть разомкнуты по разделительной линии D для обеспечения возможности продвижения к трубе и ее охвата. Спереди находится стопорный механизм 37, имеющий стопорный стержень и запирающий замок, показанные на чертеже. Замок оснащен встроенным приводом, имеющим кулачок, который при нахождении в положении размыкания ключа 1 входит в механическое зацепление с ведомым зубчатым венцом. Это обеспечивает предотвращение размыкания трубного ключа 1 до тех пор, пока поворотные элементы не окажутся на одной линии с отверстиями, т.е. на разделительной линии D. На задней стороне корпуса ключа находится гидравлический цилиндр, установленный с возможностью размыкания и смыкания трубного ключа. На ключе 10 также предусмотрен соответствующий стопорный механизм 38. Фиг. 4 изображает приводной ключ 25 спереди. Пара гидравлических цилиндров 28 своими верхними концами присоединены к тележечному шасси 24, а нижними концами - к ключу 10. Ключ 10 имеет несколько колесных пар 34, проходящих по направляющим или рельсам на тележечном шасси 24. Путем приведения гидравлических цилиндров 28 в действие ключ 10 может быть при необходимости поднят или опущен. Соответственно, ключ 1 имеет несколько колесных пар 36, проходящих по вертикальным направляющим или рельсам на тележечном шасси 24. Вторая пара гидравлических цилиндров 29 своими нижними концами присоединена к тележечному шасси 24, а верхними концами - к ключу 1. При необходимости гидравлические цилиндры 29 могут соответственно поднимать или опускать ключ 1. При свинчивании трубных соединений ключ 1 сближается с ключом 10 согласованно с увеличением взаим 003561 6 ного сцепления ниток резьбы друг с другом. И наоборот, при развинчивании трубных соединений завинчивающий и затягивающий ключ удаляется от ключа 10 в соответствии с уменьшением взаимного сцепления ниток резьбы. На фиг. 5 А и 5 В ключ 1 показан более подробно. Ключ 1 имеет 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. 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. Захватные элементы 4 описаны более подробно в находящейся одновременно на рассмотрении международной заявке на патент 7 для фрикционного взаимодействия с трубными изделиями". Фиг. 6 А и 6 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 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. 6 А и 6 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. 7 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 8 части 16 сжимаются и прижимаются радиально внутрь к бурильной трубе 21. 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. 8 иллюстрирует ситуацию, при которой стержневой конец бурильной трубы 20 ввинчен в гнездовой конец бурильной трубы 21 посредством ключа 1. В ходе такой операции 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. После свинчивания резьбового соединения приводят в действие рабочий цилиндр для докрепления трубных соединений с заданным крутящим моментом. Нижнюю трубу 21 продолжают неподвижно удерживать ключом 10. Цилиндр перемещает зубчатый упор в зацепление с зубьями зубчатого венца 3 и поворачивает венец 3, корпус 2, зажимную часть 6 и удерживаемую трубу 20 до тех пор, пока в трубном соединении не будет обеспечен заданный крутящий момент докрепления. Аналогичные цилиндр и упор имеются на противоположной стороне корпуса 2 ключа для разъединения затянутых трубных соединений. Нижнюю трубу 21 неподвижно удерживают ключом 10. Все зажимные средства могут взаимно поворачиваться в обратном направлении путем переключения клапанов между насосными цилиндрами 8 и зажимными цилиндрами 7. Кроме того, фиг. 7 и 8 более подробно показывают юбку 19 для бурового раствора, которая герметизирует пространство между двумя ключами 1, 10. С учетом того, что такая конструкция ключа охватывает трубное соединение полностью, между двумя ключами 1, 10 посредством юбки 19 может быть получена герметично заделанная камера, или затвор 35 для жидкости. В затворе 35 поддерживается вакуум, так что буровой раствор эффективно отсасывается в тех случаях, когда это требуется. В этом затворе 35 также имеется устройство 11 для подачи струи под высоким давлением и смазки резьбовых участков. Более подробное описание устройства 11 приведено со ссылкой на фиг. 11-13. Фиг. 8 иллюстрирует ситуацию, при которой ключи 1, 10 полностью соединены, а юбка 19 изогнута внутрь. Альтернативой юбке являются кожух или сильфон, которые могут выполнять ту же функцию. Сущность в том, что создана герметично заделанная оболочка в виде затвора 35 для жидкости, который удерживает буровой раствор, пока он не будет удален. Фиг. 9 иллюстрирует другую ситуацию,когда завинчивающий и затягивающий ключ 1' 9 другой конструкции используется на обсадной трубе 30 диаметром 20 дюймов (50,8 см),стержневой резьбовой конец 32 которой должен быть завинчен в резьбовой гнездовой конец 33 соответствующей обсадной трубы 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. 10 иллюстрирует еще одну ситуацию,когда завинчивающий и затягивающий ключ 1" другой конструкции используется на обсадной трубе 40 диаметром 133/8 дюймов (34 см),стержневой резьбовой конец 42 которой должен быть завинчен в резьбовой гнездовой конец 43 соответствующей обсадной трубы 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. 11 иллюстрирует второй вариант затвора 35' для жидкости и юбки 19' для бурового раствора, расположенных между ключами 1 и 10. Также показано устройство 11 для промывки и смазки резьбы, которое может быть установлено на ключе 10. Как показано на чертеже, в данном случае юбка 19' прикреплена к внешнему неподвижному корпусу 5 завинчивающего и затягивающего ключа и к внешнему корпусу 15 ключа 10. Для удаления жидкости, удерживаемой в затворе 35', в корпусе 15 имеются выпуск 13 и желоб 18. Желоб 18 подводит жидкость к выпуску 13. Для закрытого удаления жидкости к выпуску 13 может быть присоединен вакуумный шланг. Фиг. 12 иллюстрирует, как юбка 19' сжимается и складывается так же, как кожух или сильфон. Расположение устройства 11 показано на фиг. 13. В частности, показано приспособление 11 А для промывки в виде патрубка для очистки резьбы на конце трубы. Эту операцию осуществляют, пока затвор для бурового раствора является цельным, а промывочная жидкость может быть удалена, как описано выше. Также показано устройство 11 В для смазки резьбы, выполненное в виде смазочного патрубка для нанесения свежей смазки на резьбу на концах труб перед их свинчиванием. Устройство для промывки и смазки резьбы предназначено как для ручной, так и автоматической работы приспособления 11 А и смазочного патрубка 11 В, и они могут управляться независимо друг от друга. При необходимости в подходящих местах на ключе 10, или, как вариант, на ключе 1 могут быть размещены несколько приспособлений 11 А и патрубков 11 В. 10 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Комбинированный приводной трубный ключ (25), содержащий разъемный завинчивающий и затягивающий ключ (1) для свинчивания первой трубы (20) со второй трубой (21) и их докрепления и для отвинчивания первой трубы (20) от второй трубы (21) и их разъединения и расположенный снизу разъемный придерживающий ключ (10) для неподвижного удержания второй трубы (21), причем указанные ключи(1, 10) установлены с возможностью перемещения в осевом направлении друг к другу и друг от друга, отличающийся тем, что между завинчивающим и затягивающим ключом (1) и придерживающим ключом (10) расположен затвор(35) для жидкости и отсасывающее приспособление (13) для удаления из указанного затвора(35) жидкости, вытекающей из трубы (20) во время разъединения соединений труб (20, 21). 2. Приводной трубный ключ по п.1, отличающийся тем, что затвор (35) для жидкости образован направленной вниз от завинчивающего и затягивающего ключа (1) юбкой (19), которая ограничивает указанный затвор (35) по окружности и изолирует придерживающий ключ(10). 3. Приводной трубный ключ по п.2, отличающийся тем, что юбка (19) выполнена из гибкого материала, прогибающегося внутрь во время осевого перемещения завинчивающего и затягивающего ключа (1) и придерживающего ключа (10) друг к другу. 4. Приводной трубный ключ по п.1, отличающийся тем, что затвор (35) для жидкости по окружности ограничен складным кожухом или сильфоном. 5. Приводной трубный ключ по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что между завинчивающим и затягивающим ключом (1) и придерживающим ключом (10) расположено устройство (11) для промывки и смазки резьбы, приводимое в действие перед началом операции свинчивания трубных соединений. 6. Приводной трубный ключ по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что завинчивающий и затягивающий ключ (1), придерживающий ключ (10), затвор (35) для жидкости и устройство (11) для промывки и смазки резьбы объединены и размещены на тележечном шасси (24),расположенном на площадке с возможностью перемещения и имеющем вертикальную стойку для направления перемещения завинчивающего и затягивающего ключа (1) и придерживающего ключа (10) в вертикальном направлении друг к другу и друг от друга. 7. Приводной трубный ключ по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что завинчивающий и затягивающий ключ (1) и придерживающий ключ (10) содержат стопорный механизм, удерживающий неподвижный корпус (2) собранным, 11 когда указанные ключи (1, 10) находятся в действии. 8. Приводной трубный ключ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что крутящий мо 003561 12 мент докрепления задается рабочим цилиндром и упором, создающим зацепление с ведомым зубчатым венцом (3).