Механизм спуска и подъема длинномерной трубы (варианты)

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МЕХАНИЗМ СПУСКА И ПОДЪЕМА ДЛИННОМЕРНОЙ ТРУБЫ (ВАРИАНТЫ)(71) Заявитель Совместное закрытое акционерное общество ФИДМАШ(72) Автор Козуб Виктор Александрович(73) Патентообладатель Совместное закрытое акционерное общество ФИДМАШ(57) 1. Механизм для спуска и подъема длинномерной трубы, включающий раму, ведущие и натяжные звездочки, расположенные на расстоянии друг от друга параллельные замкнутые приводные цепи, причем приводные цепи содержат колодки, в пазах которых расположены подшипники, соединенные с колодкой посредством оси, жесткие направляющие,расположенные внутри каждой приводной цепи, отличающийся тем, что приводные цепи выполнены в виде зубчатых цепей, при этом ведущие и натяжные звездочки - в виде зубчатых колес, звенья цепей состоят из чередующихся между собой колодок двух типов рабочих и пассивных, каждая из которых соединена с двумя соседними посредством поперечных 9684 1 2007.08.30 выступов, выполненных с прижимной стороны каждой колодки и лежащих в одной вертикальной плоскости, причем поперечные выступы каждой пассивной колодки входят в соответствующие пазы соседних рабочих колодок и соединены одной осью с подшипниками, количество пазов в пассивной колодке равно 2, а в рабочей - 21, где- любое целое число, при этом в зацеплении с ведущими звездочками в виде зубчатых колес находятся поперечные выступы рабочих колодок. 2. Механизм для спуска и подъема длинномерной трубы, включающий раму, ведущие и натяжные звездочки, расположенные на расстоянии друг от друга параллельные замкнутые приводные цепи, причем приводные цепи содержат колодки, в пазах которых расположены подшипники, соединенные с колодкой посредством оси, жесткие направляющие,расположенные внутри каждой приводной цепи, отличающийся тем, что приводные цепи выполнены в виде зубчатых цепей, при этом ведущие и натяжные звездочки выполнены в виде зубчатых колес, звенья цепей состоят из чередующихся между собой колодок двух типов рабочих и пассивных, каждая из которых соединена с двумя соседними посредством поперечных выступов, выполненных с прижимной стороны каждой колодки и лежащих в одной вертикальной плоскости, причем поперечные выступы каждой пассивной колодки входят в соответствующие пазы соседних рабочих колодок и соединены одной осью с подшипниками, количество пазов в пассивной колодке равно 2, а в рабочей 21, где- любое целое число больше 2, при этом подшипники на двух соседних осях расположены в шахматном порядке, а в зацеплении с ведущими звездочками в виде зубчатых колес находятся поперечные выступы рабочих колодок. 3. Механизм для спуска и подъема длинномерной трубы, включающий раму, ведущие и натяжные звездочки, расположенные на расстоянии друг от друга параллельные замкнутые приводные цепи, причем приводные цепи содержат колодки, в пазах которых расположены подшипники, соединенные с колодкой посредством оси, жесткие направляющие,расположенные внутри каждой приводной цепи, отличающийся тем, что приводные цепи выполнены в виде зубчатых цепей, при этом ведущие звездочки выполнены в виде зубчатых колес, натяжные - в виде опорных колес с пазами, ответными размерам и расположению подшипников, звенья цепей выполнены в виде чередующихся между собой колодок двух типов рабочих и пассивных каждая из которых имеет поперечные выступы с отверстиями, выполненных с прижимной стороны колодки и лежащих в одной вертикальной плоскости, причем выступы каждой пассивной колодки входят в соответствующие пазы соседних рабочих колодок и соединены с подшипниками одной осью, количество пазов в пассивной колодке равно 2, а в рабочей - 21, где- любое целое число, при этом в зацеплении с зубчатыми колесами находятся поперечные выступы рабочих колодок. 4. Механизм для спуска и подъема длинномерной трубы, включающий раму, ведущие и натяжные звездочки, расположенные на расстоянии друг от друга параллельные замкнутые приводные цепи, причем приводные цепи содержат колодки, в пазах которых расположены подшипники, соединенные с колодкой посредством оси, жесткие направляющие,расположенные внутри каждой приводной цепи, отличающийся тем, что приводные цепи выполнены в виде зубчатых цепей, при этом ведущие звездочки выполнены в виде зубчатых колес, натяжные - в виде опорных колес с пазами, ответными размерам и расположению подшипников, звенья цепей состоят из чередующихся между собой колодок двух типов рабочих и пассивных, каждая из которых соединена с двумя соседними посредством поперечных выступов, выполненных с прижимной стороны каждой колодки и лежащих в одной вертикальной плоскости, причем поперечные выступы каждой пассивной колодки входят в соответствующие пазы соседних рабочих колодок и соединены одной осью с подшипниками, количество пазов в пассивной колодке равно 2, а в рабочей 21, где- любое целое число больше 2, при этом подшипники на двух соседних осях расположены в шахматном порядке, а в зацеплении с зубчатыми колесами находятся поперечные выступы рабочих колодок. 2 9684 1 2007.08.30 Изобретение относится к нефтегазовой промышленности, а более конкретно к области эксплуатации и подземного ремонта нефтяных скважин с применением длинномерной трубы. Известны механизмы спуска и подъема длинномерной трубы в скважину, содержащие две противоположно расположенных цепи, на которых установлены механизмы захвата трубы (колодки), между которыми зажимается длинномерная труба при помощи механизма прижима, выполненного чаще всего в виде жестких плит и гидроцилиндров (патент США 4655291, МПК Е 21 В 19/22, 1987, патент США 5133405, МПК Е 21 В 19/22, 1992,патент США 5553668, МПК Е 21 В 19/22, 1992). Приводные роликовые цепи установлены на ведущих звездочках и приводятся одним или более гидравлическим или электрическим двигателем. В известных механизмах спуска и подъема длинномерной трубы колодки обычно расположены между двумя роликами тройной приводной цепи на одной или двух осях, при этом могут быть использованы стандартные роликовые цепи или элементы этих цепей. Колодка защищена от смещения по вертикальным и горизонтальным осям многочисленными шпильками. Известен также механизм спуска и подъема непрерывных стальных труб и штанг, содержащий установленные на раме привод, две тяговые цепи, каждая колодка которых закреплена на шарнирной опоре, узел зажима, включающий стенки, и эластичный баллон,взаимодействующий через стенки с тяговыми цепями, вращающихся на верхних поддерживающих и нижних ведущих звездочках (а.с. СССР 785458, МПК 3 Е 21 В 19/00, 1980). Тяговая (приводная) цепь состоит из звеньев, соединенных между собой, на которых свободно установлены колодки, связанные между собой упругими фиксаторами, фиксирующими колодки в необходимом положении. Известные механизмы спуска и подъема длинномерной трубы предназначены для создания необходимого усилия для поддержания трубы в скважине по всей ее длине и используются, в основном, в установках для ремонта нефтяных и газовых скважин. При использовании длинномерных труб для бурения скважин увеличивается диаметр используемой длинномерной трубы и ее вес, что соответственно приводит к увеличению усилия прижима трубы (тяговое усилие) и возрастанию нагрузок на подшипники. При этом для увеличения грузоподъемности механизма спуска и подъема длинномерной трубы необходимо увеличивать количество соприкасающихся с трубой колодок цепей, а также силы прижима захватывающих элементов цепи (увеличением числа колодок, увеличением длины цепи), что приводит к значительному увеличению его габаритов и массы. Кроме того, увеличение грузоподъемности механизма спуска и подъема длинномерной трубы с использованием роликовых цепей ведет к уменьшению его надежности, т.к. такие элементы цепей, как шпильки, подвергаются значительным осевым нагрузкам, часто ломаются, что приводит к необходимости их замены и частой разборки цепей. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство для ввода в скважину и извлечения из скважины гибких труб, наматываемых на барабан, содержащее раму, на которой на некотором расстоянии друг от друга на валах редуктора установлены ведущие и натягивающие звездочки, на которых вращаются замкнутые параллельно расположенные приводные цепи конвейера (патент США 4585061, НКИ 166/77,1986). Ведущие звездочки служат для привода цепей, а натяжные для натяжения цепей. Замкнутая цепь конвейера проходит между направляющими, выполненными в виде отдельных пластин и служащих для передачи усилия прижима цепи. Каждая цепь конвейера состоит из пары роликовых цепей и расположенных между ними блоков колодок захватного устройства трубы, связанных друг с другом при помощи удлиненных цилиндрических шпилек. Блок колодок состоит из пары колодок, выполненных таким образом, что они вложены одна в другую. Каждый блок колодок содержит подшипник, установленный в пазах задней части колодок и закрепленный на шпильке и предназначенный для умень 3 9684 1 2007.08.30 шения силы трения между направляющими и тяговыми цепями. В процессе работы ведущие и направляющие звездочки находятся в зацеплении с роликами цепей. На поверхности, обращенной к трубе, колодки имеют дугообразную выемку с радиусом кривизны немного большим, чем необходимо для обжима трубы. Недостатками известного устройства является недостаточная грузоподъемность и, как следствие, невозможность применения (сложность использования) его для спуска и подъема длинномерных труб большого диаметра и массы, например, при бурении. Это приводит к необходимости использования роликовых цепей и подшипников больших типоразмеров или к увеличению количества роликовых цепей. Все это, в свою очередь,приводит к значительному увеличению габаритных размеров механизма спуска и подъема длинномерной трубы как по вертикали, в случае увеличения числа звеньев цепи, так и по горизонтали, в случае увеличения числа подшипников в одном блоке. При этом действие знакопеременных сил (сила тяжести трубы воздействует на блок колодок с подшипником,расположенный по центру оси и направлена вниз, а усилие привода, передающееся через звездочки, воздействует на расположенные по краям ролики и направлена вверх) приводит к осевому изгибу, возможной неисправности цепи и, следовательно, снижает надежность механизма спуска и подъема трубы. Задачей, решаемой изобретением, является увеличение грузоподъемности механизма спуска и подъема трубы (возможности использования длинномерных труб большого диаметра и веса) и повышение его надежности. Поставленная задача решается за счет того, что в механизме для спуска и подъема длинномерной трубы по первому варианту, включающем раму, ведущие и натяжные звездочки, расположенные на расстоянии друг от друга параллельные замкнутые приводные цепи, причем приводные цепи содержат колодки, в пазах которых расположены подшипники, соединенные с колодкой посредством оси, жесткие направляющие, расположенные внутри каждой приводной цепи, приводные цепи выполнены в виде зубчатых цепей, при этом ведущие и натяжные звездочки - в виде зубчатых колес. Звенья цепей состоят из чередующихся между собой колодок двух типов рабочих и пассивных, каждая их которых соединена с двумя соседними посредством поперечных выступов, выполненных с прижимной стороны каждой колодки и лежащих в одной вертикальной плоскости, причем поперечные выступы каждой пассивной колодки входят в соответствующие пазы соседних рабочих колодок и соединены одной осью с подшипниками, количество пазов в пассивной колодке равно 2, а в рабочей - 21, где- любое целое число, при этом в зацеплении с ведущими звездочками в виде зубчатых колес находятся поперечные выступы рабочих колодок. По второму варианту исполнения, в механизме для спуска и подъема длинномерной трубы, включающем раму, ведущие и натяжные звездочки, расположенные на расстоянии друг от друга параллельные замкнутые приводные цепи, причем приводные цепи содержат колодки, в пазах которых расположены подшипники, соединенные с колодкой посредством оси, жесткие направляющие, расположенные внутри каждой приводной цепи,приводные цепи выполнены в виде зубчатых цепей, при этом ведущие и натяжные звездочки выполнены в виде зубчатых колес, звенья цепей состоят из чередующихся между собой колодок двух типов рабочих и пассивных, каждая из которых соединена с двумя соседними посредством поперечных выступов, выполненных с прижимной стороны каждой колодки и лежащих в одной вертикальной плоскости, причем поперечные выступы каждой пассивной колодки входят в соответствующие пазы соседних рабочих колодок и соединены одной осью с подшипниками, количество пазов в пассивной колодке равно 2,а в рабочей - 21, где- любое целое число больше 2, при этом подшипники на двух соседних осях расположены в шахматном порядке, а в зацеплении с ведущими звездочками в виде зубчатых колес находятся поперечные выступы рабочих колодок. 9684 1 2007.08.30 По третьему варианту исполнения в механизме для спуска и подъема длинномерной трубы, включающем раму, ведущие и натяжные звездочки, расположенные на расстоянии друг от друга параллельные замкнутые приводные цепи, причем приводные цепи содержат колодки, в пазах которых расположены подшипники, соединенные с колодкой посредством оси, жесткие направляющие, расположенные внутри каждой приводной цепи,приводные цепи выполнены в виде зубчатых цепей, при этом ведущие звездочки выполнены в виде зубчатых колес, натяжные - в виде опорных колес с пазами, ответными размерам и расположению подшипников, звенья цепей выполнены в виде чередующихся между собой колодок двух типов рабочих и пассивных, каждая из которых имеет поперечные выступы с отверстиями, выполненных с прижимной стороны колодки и лежащих в одной вертикальной плоскости, причем выступы каждой пассивной колодки входят в соответствующие пазы соседних рабочих колодок и соединены с подшипниками одной осью, количество пазов в пассивной колодке равно 2, а в рабочей - 21, где- любое целое число, при этом в зацеплении с зубчатыми колесами находятся поперечные выступы рабочих колодок. В четвертом варианте исполнения механизма для спуска и подъема длинномерной трубы, включающем раму, ведущие и натяжные звездочки, расположенные на расстоянии друг от друга параллельные замкнутые приводные цепи, причем приводные цепи содержат колодки, в пазах которых расположены подшипники, соединенные с колодкой посредством оси, жесткие направляющие, расположенные внутри каждой приводной цепи,приводные цепи выполнены в виде зубчатых цепей, при этом ведущие звездочки выполнены в виде зубчатых колес, натяжные - в виде опорных колес с пазами, ответными размерам и расположению подшипников, звенья цепей состоят из чередующихся между собой колодок двух типов рабочих и пассивных, каждая из которых соединена с двумя соседними посредством поперечных выступов, выполненных с прижимной стороны каждой колодки и лежащих в одной вертикальной плоскости, причем поперечные выступы каждой пассивной колодки входят в соответствующие пазы соседних рабочих колодок и соединены одной осью с подшипниками, количество пазов в пассивной колодке равно 2,а в рабочей - 21, где- любое целое число больше 2, при этом подшипники на двух соседних осях расположены в шахматном порядке, а в зацеплении с зубчатыми колесами находятся поперечные выступы рабочих колодок. Использование в механизме спуска и подъема длинномерной трубы в качестве приводных (тяговых) цепей зубчатых цепей предложенной конструкции позволяет одновременно решить две задачи - отказаться от роликовых цепей и использовать зубчатые цепи,в которых колодки одновременно являются звеньями цепи. Использование в приводной цепи колодок двух типов рабочих (большего размера) и пассивных (меньшего размера), чередующихся между собой, и соединенных друг с другом посредством поперечных выступов, позволяет создать единую замкнутую зубчатую цепь и отказаться от роликовых цепей, что повышает надежность и грузоподъемность механизма спуска и подъема длинномерной трубы. Выполнение колодок с пазами и поперечными выступами позволяет увеличить количество плоскостей среза на осях колодок,что приводит к повышению надежности цепей за счет равномерного распределения нагрузки и устранения знакопеременных сил, что в свою очередь приводит к увеличению грузоподъемности механизма спуска и подъема. Выполнение механизма подачи по вариантам 2 и 4 (расположение подшипников на двух соседних осях в шахматном порядке) в случае увеличения грузоподъемности механизма подачи, позволяет сократить межосевое расстояние в колодках и тем самым уменьшить вертикальные габариты механизма спуска и подъема. Ширина пазов в колодках подобрана таким образом, что в пазах между выступами двух колодок на осях последовательно располагаются подшипники. Количество поперечных выступов для рабочей колодки равно 21, а для пассивной - 2, где- любое це 5 9684 1 2007.08.30 лое число больше 2-х. Это позволяет равномерно распределять нагрузку на оси, а также увеличить количество плоскостей среза для осей, что приводит к более долговечной работе осей. Объединение четырех вариантов в одну заявку обусловлено тем, что они решают одну и ту же задачу - повышение грузоподъемности механизма спуска и подъема длинномерной трубы. Конкретный пример выполнения изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен механизм для спуска и подъема длинномерной трубы, общий вид фиг. 2 - приводная цепь механизма для спуска и подъема длинномерной трубы по варианту 1 и 3 фиг. 3 - приводная цепь механизма подачи по варианту 2 и 4 фиг. 4 - вид приводной цепи с натяжной звездочкой, выполненной в виде зубчатого колеса фиг. 5 - вид приводной цепи с натяжной звездочкой, выполненной в виде опорного колеса с пазами. Механизм спуска и подъема длинномерной трубы содержит раму 1, в верхней части которой закреплен редуктор 2 с приводными гидромоторами 3. На 2-х ведущих валах 4 редуктора 2, расположенных на расстоянии друг от друга, закреплены зубчатые колеса 5(ведущие звездочки), а в нижней части рамы 1 расположены опорные колеса 6 с пазами(натяжные звездочки), которые могут быть выполнены также в виде зубчатых колес. На зубчатых колесах 5 и опорных колесах (зубчатых колесах) 6 вращаются две симметрично расположенные замкнутые приводные зубчатые цепи 7. Натяжение приводных зубчатых цепей 7 осуществляется при помощи гидроцилиндров 8, воздействующих на натяжные элементы 9. Между двух замкнутых приводных зубчатых цепей 7 проходит длинномерная труба 10. Замкнутые приводные зубчатые цепи 7 расположены между жесткими направляющими 11, которые закреплены на балках 12, которые в свою очередь соединены с гидроцилиндрами 13, регулирующими силу прижима приводных зубчатых цепей 7 к длинномерной трубе 10. Приводная зубчатая цепь 7 (фиг. 2, 3) состоит из звеньев, представляющих собой колодки двух типов рабочей 14 (большего размера) и пассивной 15 (меньшего размера), чередующихся между собой. На прижимной стороне (со стороны направляющих 11) каждой колодки 14 и 15 выполнены прямоугольные пазы, а на стенках колодок, образующих пазы, выполнены поперечные выступы 16, выступающие с двух сторон (справа и слева) каждой колодки. Поперечные выступы 16 колодок 14 и 15 имеют отверстия и лежат в одной вертикальной плоскости. Колодки 14 и 15 соединены друг с другом посредством поперечных выступов 16 и закреплены осями 17. При этом поперечные выступы пассивной колодки 15 входят в соответствующие пазы соседней рабочей колодки 14 и соединены осью 17 с поперечными выступами рабочей колодки 14, и наоборот. Ширина пазов в колодках 14 и 15 выполнена таким образом, что в них на осях 17, соединяющих поперечные выступы двух колодок 14 и 15, расположены также подшипники 18, через которые создается усилие прижима приводной зубчатой цепи 7 к трубе 10. Таким образом, образуется единая замкнутая цепь из чередующихся между собой рабочих колодок 14 и пассивных 15, когда пассивная колодка 15 соединена осями 17 с двух сторон (справа и слева) с двумя соседними рабочими колодками 14, и наоборот. При этом количество поперечных выступов для рабочей колодки 14 равно 21, а для пассивной колодки 15 - 2, где- любое целое число (по варианту 1 и 3.) Зубчатое колесо 5 находится в зацеплении с поперечными выступами 16 рабочей колодки 14. Поперечные выступы 16 рабочей колодки 14 имеют дугообразные участки, выполненные ответными по форме наружной поверхности участка сопряжения зубчатого колеса 5. При этом длина и толщина поперечного выступа 16 рабочей колодки 14, находящейся в зацеплении с зубчатым колесом 5, согласована с размерами зубчатого колеса. 6 9684 1 2007.08.30 На рабочей поверхности колодок 14 и 15, со стороны длинномерной трубы 10, выполнена дугообразная выемка, имеющая радиус кривизны, соответствующий радиусу внешней поверхности трубы. Дугообразная выемка может быть больше радиуса внешней поверхности трубы 10. В этом случае на рабочей поверхности колодок используют съемный вкладыш под соответствующий диаметр трубы. В случае увеличения тягового усилия механизма спуска и подъема длинномерной трубы увеличивается количество подшипников 18 и соответственно, габаритные размеры рабочих 14 и пассивных 15 колодок, а также количество звездочек в зубчатых колесах 5. В этом случае возможны различные варианты выполнения приводных зубчатых цепей. На фиг. 3 представлен вариант исполнения механизма спуска и подъема длинномерной трубы, в котором в приводных зубчатых цепях 7 в пазах рабочих и пассивных колодок 14 и 15 на двух соседних осях 17 подшипники 18 установлены в шахматном порядке. При этом количество поперечных выступов для рабочей колодки 14 равно 21, а для пассивной колодки 15 - 2, где- любое число больше 2-х (вариант 2 и 4). В качестве примера показано использование пяти звездочек зубчатого колеса 5. В этом случае у рабочей колодке 14 выполнено четыре паза и пять поперечных выступов 16,расположенных с двух сторон каждой колодки, а у пассивной колодки 15 на один поперечный выступ 16 и паз меньше. Ширина пазов у рабочей колодки 14 одинакова и соответствует сумме ширины подшипника 18 и ширины выступа 16 пассивной колодки 15, а ширина пазов пассивной колодки 15 различна крайние пазы соответствуют сумме ширины подшипника 18 и ширине выступа 16 рабочей колодки 14, а ширина центрального паза соответствует сумме ширины двух установленных в нем подшипников 18 и ширине выступа 16 рабочей колодки 14. Расположение подшипников в шахматном порядке на соседних осях позволяет уменьшить межосевое расстояние между ними с величины 2 до, где- радиус подшипника,- радиус оси. Это позволяет разместить большее число подшипников на единицу длины цепи, что приводит к уменьшению вертикальных габаритов механизма спуска и подъема длинномерной трубы. Натяжная звездочка может быть выполнена в виде опорного колеса 6 с пазами, количество и размеры которых определяются количеством и размерами подшипников 18 (варианты 3 и 4). Устройство работает следующим образом. Длинномерная труба 10 вводится в устройство между приводными зубчатыми цепями 7. Приводные зубчатые цепи 7 прижимаются к длинномерной трубе 10 гидроцилиндрами 13 через жесткие направляющие 11. При этом подшипники 18, взаимодействуя с направляющими 11, уменьшают силу трения, возникающую при воздействии жестких направляющих 11 на приводную зубчатую цепь 7 при создании усилия прижима цепи к длинномерной трубе. Зубчатые колеса 5 приводятся в действие через редуктор 2 при подаче гидравлического масла в гидромоторы 3. При этом происходит движение вверх либо вниз по жестким направляющим 11 приводных зубчатых цепей 7 совместно с длинномерной трубой 10, причем в зацеплении с приводным зубчатым колесом 5 находятся рабочие колодки 14. Для повышения грузоподъемности механизма спуска и подъема длинномерной трубы возможно увеличение количества подшипников 18 и расположение их в шахматном порядке на двух соседних осях, а также использование нескольких звездочек зубчатых колес 5. В этом случае зубцы зубчатых колес 5 входят в зацепление с выступами 16 рабочих колодок 14 и входят в пазы пассивных колодок 15, свободные от подшипников 18. По окончании работ по спуску или подъему длинномерной трубы 10 происходит отключение гидромоторов 3. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8