Трубные механические ключи

Трубный механический ключ должен обеспечивать свинчивание резьбовых соединений с таким крутящим моментом, при котором гарантируется их герметичность. Для насосно-компрессорных труб используют коническую резьбу трапециевидного профиля. Герме­тичность резьбовых соединений обеспечивается за счет натяга, соз­даваемого при свинчивании. Механическая энергия, необходимая для свинчивания, расходуется на трение скольжения поверхностей резьбы труб и муфты и на их упругую деформацию при затяжке соединения.

Экспериментальные исследования показали, что крутящий мо­мент от угла поворота труб M = f(φ)при их свинчивании зависит от: степени изношенности резьб (в том числе и от числа циклов свинчивания-развинчивания данного резьбового соединения); со­стояния поверхности резьбы; конструкции труб (гладкие и равно­прочные); наличия смазки и ее типа; точности изготовления резьбы.

Максимальный крутящий момент, необходимый для затяжки резьбового соединения, можно определить по формуле:

Мкр = рbµ₁F,

где р - контактное давление, обеспечивающее герметичность стыка;

b- средний радиус конической поверхности соприкосновения трубы и муфты;

µ₁1 - приведенный коэффициент трения,

µ₁ =µ /sin β /2,

β- угол профиля резьбы (= 60⁰);

µ = 0,1 - коэффициент трения скольже­ния поверхностей резьбы ;

F - площадь поверхности соприкосновения трубы и муфты.

Свинчивание резьбового соединения с крутящим моментом меньше необходимого приводит к утечкам пластовой жидкости из внутренней полости НКТ в затрубное пространство. В результате уменьшается КПД подъемника, а также возможен промыв и разруше­ние резьбового соединения.

Свинчивание резьбового соединения с повышенным крутящим моментом приводит к увеличению износа резьбы вследствие вытес­нения пленки смазки, разделяющей трудящиеся поверхности, и появлению таких нежелательных явлений, как схватывание, обра­зование задиров и т.д.

Крутящий момент, необходимый для развинчивания резьбового соединения колонны труб, может превышать момент, необходимый при их закреплении, на 15-20%. Это обусловлено, прежде всего, уве­личением коэффициента трения до значения, соответствующего трению покоя.

В отличие от ключей, применяемых в бурении и предусматри­вающих раскрепление и закрепление резьбовых соединений от­дельным инструментом или узлом, ключи для ПРС должны обе­спечивать выполнение всего цикла сборки и разборки резьбового соединения. Решение этой задачи осложняется тем, что обеспечи­ваемый ключом крутящий момент в процесс е свинчивания или раз­винчивания одного резьбового соединения изменяется в широком диапазоне (рис. 12.1 О) и кратность его изменения может достигать 1:8 - 1:10.

Рис. 12.10.

3аисимость величины крутящего момента,

необходимого для свинчивания (1, 2) и развинчивания (3,4) резьбового соединения НКТ (1, 3) и штанг (2, 4)

И при свинчивании, и при отвинчивании - эти пико­вые моменты прикладываются лишь на 0,75-1,3 оборота резьбы. На остальных оборотах вращающий момент в десятки раз меньше максимального. С увеличением диаметров труб максимальные мо­менты увеличиваются, с уменьшением - уменьшаются. Для проч­ности и герметичности резьбового соединения момент свинчивания для каждого типоразмера НКТ должен быть строго определенным, а момент отвинчивания, развиваемый трубным ключом, должен обе­спечить отвинчивание резьбы трубы наибольшего диаметра, на ко­торый рассчитан ключ. Момент крепления резьбового соединения НКТ для равнопрочных труб диаметрами 48, 60, 73, 89 мм прибли­женно должен равняться соответственно 1,0; 1,7; 2,5 и 3,3 кН·м.

Компоновка ключа и приемы работы с ним определяются спосо­бом установки его в рабочее положение. Применяются ключи, кото­рые по технологии установки на колонну труб можно разделить на неразрезные и разрезные.

Ключи первой группы устанавливаются постоянно на устье сква­жины на все время выполнения работ по спуску или подъему колон­ны труб, ключи второй группы располагаются рядом со скважиной и надвигаются на колонну только во время выполнения операции. Соответственно в конструкции ключей первой группы предусмо­трено наличие корпуса кольцевой формы, охватывающей колонну НКТ. Конструкция ключей второй группы характерна наличием проема, обеспечивающего установку ключа или его узлов на устье скважины.

Ключи с неразрезным корпусом легче, долговечнее и не требуют выполнения операции по надвижению на трубы. При этом монтаж и демонтаж на устье скважины связан с использованием специальных технологических патрубков, которые позволяют выполнить их при наличии колонны НКТ, спущенной в скважину. (В определенном смысле ключи этого типа имеют компоновку, аналогичную ротору.) Масса и стоимость ключей подобного типа ниже аналогичных по­казателей ключей с разрезным корпусом.

Ключи с разрезным корпусом тяжелее, их детали подвергаются более интенсивному изнашиванию вследствие наличия проема. Пе­ред выполнением операции ключ должен быть надвинут на колонну труб. При этом в отведенном положении ключ не мешает выполне­нию других операций подземного ремонта.

В трубных ключах с механическим приводом необходимый мо­мент при свинчивании или развинчивании соединения достигается несколькими путями.

1. Использованием двигателей повышенной мощности, что по­зволяет выполнить кинематическую схему наиболее просто. Однако при применении электропривода возрастают габариты и масса клю­ча, что делает работу с ним менее удобной. Кроме того, увеличива­ется трудоемкость подготовительно-заключительных работ. Только развитие объемного гидропривода и создание гидравлических дви­гателей с высокой удельной мощностью позволило использовать подобное решение при обеспечении приемлемых весовых характе­ристик. При гидроприводе момент свинчивания регулируется пере­ливным клапаном гидросистемы, шкала которого оттарирована на положения, соответствующие диаметрам и типам резьб. Этот спо­соб точней и надежней, чем при электроприводе.

2. Применением кинематических схем с двухступенчатыми редукторами, в которых при низкой скорости происходит крепле­ние (раскрепление) резьбового соединения, а при высокой - его свинчивание. Недостаток подобного решения - усложнение всего механизма, снижение его надежности, а также усложнение работы с ключом вследствие необходимости переключения скоростей при каждом цикле работ.

3. Применением аккумуляторов, накапливающих энергию в пе­риод, когда для вращения резьбового соединения необходим мини­мальный крутящий момент, и отдающих ее при креплении резьбо­вого соединения.