CN100343474C - 钻探系统和在钻探系统中连接冲洗管组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻探系统及该钻探系统的使用方法，所述钻探系统具有：一可转动的第一管状连接器；一不可转动的第二管状连接器；以及一冲洗管组件，其具有至少一个动态密封件，并形成了一条流体管道，该管道的一端具有一第一配接连接器，另一端具有一第二配接连接器，两配接连接器被设计成与第一、第二管状连接器相互连接起来。一扭矩可控的驱动器被设置成可对冲洗管组件执行机械接合，以便于在第一配接连接器与第一管状连接器之间、以及第二配接连接器与第二管状连接器之间构成流体通路。

Description

钻探系统和在钻探系统中连接冲洗管组件的方法

与相关申请的交叉引用

按照美国法律35 U.S.C.§119(e)，本申请要求享有于2001年8月27日提交的第60/315072号临时申请的优先权。

技术领域

本发明总体上涉及一种设备，其被用在由旋转钻探系统执行的钻地作业中，具体而言，本发明涉及旋转钻探系统中的一个改进部分，其使得在钻探作业中受到很大磨损的冲洗管动态密封件能获得安全而便利的维护。更具体来讲，本发明提出了一种改进的冲洗管成套设备、以及该设备的安装/拆卸方法。

背景技术

顶部驱动钻井设备通常包括一顶部驱动系统(TDS)，其可与钻杆柱的上端相连接，以便于对钻杆柱进行驱动而使其转动，在钻井作业中，其可带着钻杆柱上下移动。TDS包括一管状的主轴，其下端可被旋接到钻杆柱的上端上，钻探泥浆从位于机组顶端的鹅颈管/转体座组件经该管状主轴向下输送给钻杆柱和钻头。机组还包括一马达，在钻井时，该马达可驱动所述主轴而使其转动。冲洗管组件包括至少一个动态密封件，且一个管状元件被旋接到主轴顶部与鹅颈管/转体座组件的底部之间。

冲洗管组件位于转动着的TDS主轴上方，并位于固定不动的鹅颈管的下方。钻探泥浆受到高压泵送、从而经鹅颈管和冲洗管组件进入到主轴中。冲洗管组件的动态密封件作为其分别与TDS主轴和鹅颈管进行连接的连接器的主密封元件。在钻探作业过程中，这些动态密封件受到非常大的磨损，需要频繁地进行更换。

对动态密封件的更换需要工作人员松开冲洗管组件与主轴和转体座/鹅颈管的连接器，以便于能拆卸下冲洗管组件、并安装上一替换的冲洗管组件。冲洗管组件安装工作与拆卸工作的执行方式是类似的。在常见的系统中，这两种工作通常包括如下的操作：由人工击打连接着冲洗管组件和主轴的螺母、以及由人工击打将冲洗管组件与转体座/鹅颈管组件连接起来的螺母。人工的击打操作通常是用大锤来完成的，由此来施加一个冲击扭矩，从而，或者能旋紧螺母、或者将螺母旋开。反复施加这样的冲击扭矩是必要的—尤其是对于连接器在长期处于高应力状态和钻探环境的自然条件下之后再被拆开时的情况。在最好的情况下，这项工作也是不安全的，且很浪费时间。另外，由于所施加的扭矩是非可控的—即不可测量的，所以，判定冲洗管组件的螺母是否已被完全接合好或完全脱开的结论将取决于冲洗管组件安装/拆卸人员的主观判断。因而，这会增大工作人员出错的几率，进而对整套钻机造成损坏。

因此，希望能有一种以安全而可控的方式对冲洗管组件进行安装的新设备及新方法。

发明内容

按本发明的钻探系统，其包括：

一可转动的第一管状连接器；

一不可转动的第二管状连接器；

一冲洗管组件，其包括至少一个动态密封件，并且形成一流体管道，该管道在一端具有一第一配接连接器且在另一端具有一第二配接连接器，所述两个配接连接器被设计成与第一、第二管状连接器相互连接起来；以及

一扭矩驱动器，其被设置对冲洗管组件执行机械接合，从而在所述第一配接连接器与所述第一管状连接器之间、以及在所述第二配接连接器与所述第二管状连接器之间形成流体通路；其中，

一可转动的驱动轴，该驱动轴具有一与其连接的小齿轮，该小齿轮能够沿着所述驱动轴移动，以便在所述第一和第二管配接连接器之间移动，并且与所述第一和第二配接连接器中的每一个接合和脱开。

按本发明的在一钻探系统中连接一冲洗管组件的方法，其包括以下的步骤：

设置一可转动的第一管状连接器；

设置一不可转动的第二管状连接器；

设置一冲洗管组件，其包括至少一个动态密封件，并且形成一流体管道，该管道在一端具有一第一配接连接器且在另一端具有一第二配接连接器，所述两个配接连接器被设计成与所述第一、第二管状连接器相互连接起来；以及

向所述第一和第二配接连接器施加一扭矩，从而在所述第一配接连接器与所述第一管状连接器之间、以及在所述第二配接连接器与所述第二管状连接器之间形成流体通路；其中，

设置一可转动的驱动轴，该驱动轴具有一与其连接的小齿轮，该小齿轮能够沿着所述驱动轴移动，以便在所述第一和第二管配接连接器之间移动，并且与所述第一和第二配接连接器中的每一个接合和脱开。

本发明提供了的钻探设备，其被设计成这样：使得在将冲洗管组件安装到主轴及鹅颈管过程中所施加的扭矩成为可控的—即可测的。在一种实施方式中，冲洗管组件基本上包括：一冲洗管流体管道；至少一个动态密封件；一个与鹅颈管带齿螺母相配接的连接器，其用于将冲洗管组件旋接到一个固定的鹅颈管连接器上；以及一个与包封箱带齿螺母相配接的连接器，其用于将冲洗管组件旋接到一个可转动的主轴连接器上。此外，还设置了一个扭矩驱动器，用于向冲洗管组件上的两个配对连接器施加适当的扭矩，以便于能将冲洗管组件与固定的鹅颈管连接器和可转动的主轴连接器密封地连接起来。已经发现：在钻探过程中，这样的组合使得钻探泥浆能被泵送着流经固定的鹅颈管、冲洗管组件、转动着的主轴、钻杆、钻杆柱、以及钻头。

尽管任何合适的动态密封件都能被应用到本发明中，但在一实施方式中，所述动态密封件被设计成这样：其能在冲洗管组件与鹅颈管和主轴的螺纹连接器之间实现流体密封。例如，所述动态密封件可由一弹性体材质的O型圈密封件构成。

在一备选实施方式中，扭矩驱动器包括一驱动轴套管，其被安装到一冲洗管罩帽的一侧上，并大致上平行于主轴纵向轴线地排列着。在该实施方式中，驱动轴套管部分地包封着一驱动轴，其即可沿自身轴线滑动，也可绕自身轴线转动。在驱动轴位于冲洗管罩帽内的那一部分上，可滑动地附接着一套扭矩传递机构，该传递机构例如是一个小齿轮。沿着驱动轴将该小齿轮布置在一个方便的垂直位置处，并利用诸如翼形螺杆等紧固件固定到驱动轴上。驱动轴的横截面可以为任何方便的形状，例如可以为方形、矩形、三角形、五边形、以及其它一些断面形状。同样，只要其适于将从外部施加的扭矩传递给冲洗管组件，则任何的扭矩传递机构都能应用到本发明中，例如可使用驱动杆或链条联动装置。

在另一种示例性的实施方式中，扭矩驱动器包括一可选的扭矩倍增器，一人力扭矩扳手被连接到该扭矩倍增器上。在该实施方式中，经扭力扳手由人力来施加扭矩。尽管在上面描述的人力驱动系统，但可采用任何的驱动系统，只要其能可控地而又可重复再现地向冲洗管组件的配对连接器施加特定的扭矩即可。一种备选的示例性实施方式包括一驱动轴，其带有一扭转驱动马达，该驱动马达具有一联轴节。举例来讲，扭转驱动马达可以是一气动马达、一液压马达或一电动机。另一种备选的示例性实施方式包括一液压缸，其带有一连接装置。再一种备选的示例性实施方式包括一扭转套筒和TDS主马达。

在另一种示例性的实施方式中，一个靠近冲洗管罩帽的、可选的支架使一冲洗管定位机构能被可转动地连接到冲洗管罩帽上，以便于将冲洗管组件移入到冲洗管罩帽中的一个开孔中、或从该开孔中移出。

在又一种实施方式中，本发明针对一种用于将冲洗管组件安装到钻机上、或从钻机上拆下的方法。在该实施方式中，该方法包括操作：采用上述的冲洗管组件，接合/松开冲洗管组件与鹅颈管和主轴之间的螺纹连接器。

附图说明

为了便于更加完整地理解本发明，并有助于理解本发明进一步的细节及优点，下文结合附图进行了详细的描述，在附图中：

图1中的示意图表示了根据本发明一实施方式的顶部驱动钻井设备；

图2中的示意图表示了根据本发明一实施方式的冲洗管罩帽构造的实施例，该冲洗管罩帽包括一鹅颈管组件；

图3是图2所示冲洗管罩帽一鹅颈管组件的前视图，该组件具有一个根据本发明一实施方式的冲洗管组件，冲洗管组件被安装到冲洗管罩帽中；

图4是对图3中的A部分细节结构所作的放大前视图，该附图表示了用于安装图3所示冲洗管组件的扭矩驱动器和扭矩传递机构；

图5是图3所示冲洗管组件处于未被安装时的轴测图；

图6是图3所示冲洗管组件处于安装位置时的轴测图；

图7a中的前视图表示了一个根据本发明一实施方式的、可选的扭矩倍增器；

图7b是图7a所示可选扭矩倍增器的侧视图；

图7c中的俯视图表示了根据本发明一实施方式的、可选的适配套筒件；

图7d是图7c所示可选的适配套筒件的侧视图；

图7e中的俯视图表示了根据本发明一实施方式的、可选的扭力扳手；

图7f是某一组件的侧视图，该组件包括图7e所示的可选性扭力扳手、图7a所示的可选扭矩倍增器、以及图7c所示的适配套筒件；

图8是一种实施方式的剖视图，表示了根据本发明一实施方式的一冲洗管组件、带有鹅颈管组件的冲洗管罩帽、以及一可选的机械化驱动机构；

图9a是根据本发明一实施方式的冲洗管罩帽的前向剖面图，其上安装有可选的液压驱动机构；

图9b是安装有图9a所示的可选液压驱动机构的冲洗管罩帽的图9a所示的可选液压驱动机构的冲洗管罩帽的侧面剖视图；

图9c是安装有图9a所示的可选液压驱动机构的冲洗管罩帽的俯视剖面图；

图10a是根据本发明一实施方式的一个冲洗管罩帽—鹅颈管组件的侧向剖视图，该组件适于与可选的扭转套筒配套使用；

图10b是图10a所示的、带有可选的扭转套筒的冲洗管罩帽—鹅颈管组件的侧视图；以及

图10c是图10a所示的、带有可选的扭转套筒的冲洗管罩帽—鹅颈管组件的俯视图。

具体实施方式

本发明提供了一种钻井设备，其被设计为使得施加到冲洗管组件上的扭矩是可控的。本发明还涉及本发明钻井设备的使用方法，以便于可控地接合/松开冲洗管组件与转体座/鹅颈管组件和钻井设备主轴之间的螺纹连接器。

图1表示了一种普通的顶部驱动钻井设备10。该钻井设备10在结构上由一井架11支撑着。钻井设备10包括多个机械构件，这些构件包括：一转体座13、一冲洗管罩帽14、一从冲洗管罩帽14延伸出的鹅颈管15、一主轴16、一马达壳体17、一钻杆18/钻杆柱19、以及一钻头20。这些机械构件共同悬挂在一个移位滑车12上，该滑车12使得这些机械构件能沿着导轨22上下移动，导轨22被连接到井架上，用于对机械构件的垂直运动进行引导。转体座13可转动地与冲洗管罩帽14联接着。冲洗管罩帽14通过一冲洗管组件(图中未示出)可转动地联接着主轴16，其中的冲洗管组件包括一动态密封件(图中未示出)。主轴16延伸穿过马达壳体17，并与钻杆18连接起来。通常，钻杆18与一连串管状部件的一端用螺纹连接起来，其中的一连串管状部件被总称为钻杆柱19。钻杆柱19的另一端与一钻头20旋接。

在工作过程中，被包封在马达壳体17内的TDS马达驱动着主轴16而使其转动，主轴16反过来再转动钻杆18/钻杆柱19、以及钻头20。钻头20的转动可形成一个井孔21。随着被泵送到鹅颈管15中的流体流经钻头20外表面与井孔21壁面之间的环形空间、并从井孔21中流出，钻头20切削下来的切屑被从井孔21的底部清除出去。

尽管在下文中对本发明冲洗管组件的使用及工作过程的描述全部是在顶部驱动钻井机的条件下进行的，但可以理解：能很容易地将类似机构改造成适于用在任何其它钻机中一只要其需要向动态密封流体的管道施加可控的扭矩。

图2是一个详细的示图，表示出了冲洗管罩帽14，该罩帽上联接着鹅颈管15。冲洗管罩帽14包括一基本上为筒状或钟状的帽体，该帽体的垂直部分上制有一个罩帽开孔26，该开孔26足够大，以便于允许冲洗管组件(图中未示出)插置到其中。冲洗管罩帽14的顶部和底部总体上为平面，并制有开孔，以便于允许钻探泥浆能从鹅颈管15向下流经罩帽开孔26而流向主轴16。鹅颈管15可与罩帽14制成一体，或者是可拆卸地安装到罩帽14的顶部平面部分上。在罩帽开孔26中设置有两个管状的流体连接器：制有螺纹的鹅颈管连接器25，其可与鹅颈管15或冲洗管罩帽14制为一体，或者可以是一个单独的零件，从而能可拆卸地连接到鹅颈管15或冲洗管罩帽14上；以及制有螺纹的主轴连接器29，其通常是主轴的一个组成部分—即主轴16上制有螺纹、且最靠近鹅颈管15的那一端，但该连接器也可以是一个与主轴16可拆卸地连接着的单独零件。

冲洗管罩帽14还可包括一平面安装板27，其可以是冲洗管罩帽14的一个组成部件，还可以是一个固定到罩帽14上的、单独的零件。平面安装板27上设置有安装孔27a，这些安装孔27a使得冲洗管罩帽14能被一个或多个紧固件固定地连接到马达壳体17上(见图2和图3)。冲洗管罩帽14还包括一可选装的安装支架28，以便于能将某一机构可转动地联接到罩帽14上，该机构用于协助冲洗管组件(图中未示出)的插入和拆出。

尽管在上文中将冲洗管罩帽14描述为钟罩形，但可以理解，冲洗管罩帽14可采用任何的结构设计，只要其能使得根据本发明的冲洗管组件能被插置到两流体连接器之间、以便于在二者之间形成一动态密封的流体管道，其中的两个连接器例如是鹅颈管15和主轴16的连接器。

图3到图6的各个视图表示了根据本发明的冲洗管组件34、以及被组装到一钻机上的冲洗管罩帽14。例如，图3中的细节部分A表示了根据本发明的冲洗管组件34在钻机的冲洗管罩帽14内的连接器。

图5和图6放大地表示了细节部分A，这两个附图分别表示了冲洗管组件34的实施例处于已安装状态和未安装状态时的情形。如图5所示，冲洗管组件34包括一流体管道23，当冲洗管组件34与鹅颈管15和主轴16连接起来时，该管道23构成了鹅颈管15与主轴16之间的流体连通管路。

参见图3到图6中的任一附图，冲洗管组件34基本上包括：冲洗管流体管道23；至少一动态密封件49；一个与鹅颈管上带齿的螺母相配接的连接器41，用于将冲洗管组件34与为固定的鹅颈管所设的螺纹连接器25旋接起来；以及一个与包封箱上带齿的螺母相配接的连接器42，其用于将冲洗管组件34与为可转动主轴16所设的螺纹连接器29旋接起来。如图6所示，当冲洗管组件34被安装好之后，包封箱螺母与主轴16的螺纹连接器29旋接起来，而鹅颈管螺母则与鹅颈管15的螺纹连接器25旋接起来，从而利用动态密封件49在冲洗管组件34与鹅颈管15以及主轴16之间形成了流体连接通道，其中的动态密封件49位于冲洗管组件34与可转动的主轴16、以及固定的—即不可转动的鹅颈管15之间。这样的组合关系使得钻探泥浆在钻井过程中能被泵送着经过固定不动的鹅颈管15、冲洗管组件34、转动着的主轴16、钻杆18/钻杆柱19(见图1)、以及钻头20(见图1)。

如图5、6所示，动态密封件49被设计成能在冲洗管组件34与其连接鹅颈管15和主轴16的螺纹连接器之间形成流体密封。在本领域内，存在很多种适于在可转动的管状部件与不可转动的管状部件之间进行流路连接的动态密封件49。例如，动态密封件49可以是弹性体材质的O型密封圈。在某些实施方式中，将冲洗管组件34与鹅颈管15连接起来的密封件可以是常见的O型圈，而并不需要是动态密封件。

在图5和图6所示的实施方式中，一整体式的圆筒形驱动轴套管31从冲洗管罩帽14的侧面局部地突现出，其例如处于罩帽开孔36与安装板27之间，且其排列方式基本上平行于主轴16的纵向轴线。在图5和图6所示的实施方式中，驱动轴套管31部分地包封着一驱动轴30，该驱动轴30既能沿自身轴线滑动，也能绕自身轴线转动。驱动轴30向上延伸超出驱动轴套管31而伸到外界中，向下则超出驱动轴套管31而伸入到冲洗管罩帽14中。在驱动轴30延伸到冲洗管罩帽14中的那一部分上可滑动地连接了一个小齿轮32。沿着驱动轴30，小齿轮32被布置在一个方便的垂直位置上，并利用一紧固件固定到驱动轴30上，其中的紧固件例如是一翼形螺杆33。在该实施方式中，小齿轮32可具有一轴环，该轴环上制有一个用于容纳翼形螺杆33的开孔，因此，翼形螺杆33可将小齿轮32相对于驱动轴30的位置固定下来。

尽管图5、6中所示驱动轴30的横截面为方形，但本领域技术人员能很直观地意识到：驱动轴30的横截面也可以为其它任何合适的形状。例如，驱动轴30的横截面可以为矩形、三角形或五边形、以及其它的构造。同样，尽管图5、6中实施方式将扭矩传递机构表示为小齿轮32，但其它任何的机构都是可以的—只要其适于将外界施加的扭矩传递给冲洗管组件34的两螺母即可，其它的机构例如是驱动杆或链条联动装置。

可以考虑用几个装置向驱动轴30施加扭矩。例如，图5、6所示的驱动轴30上联接有可选的扭矩倍增器44和一人力扭矩扳手45。在该实施方式中，可利用扭矩扳手45和可选的扭矩倍增器44由人力向驱动轴30及其所联接的小齿轮32施加扭矩。在该实施方式中，按照常规的方式，利用扭矩扳手45/扭矩倍增器44的扭矩设定值使作用到驱动轴30上的扭矩成为可控的—即可测的。图7a到图7f是一些示意图，表示了用在该驱动系统中的合适的扭矩扳手45、扭矩倍增器44、以及适配套筒件43。

尽管上文描述的是人工驱动系统，但也可采用任何其它的驱动系统—只要其能借助于小齿轮32可控而重复再现地向冲洗管组件34的两螺母施加可复现的特定扭矩即可。图8到图10中表示了一些示例性的备选实施方式。举例来讲，图8所示的驱动轴30带有一可选装的驱动马达50和一联轴节51。在该实施方式中，马达50可以是任何动力机，只要其能通过小齿轮32向冲洗管组件34的螺母施加合适的扭矩即可，该马达例如是气动马达、液压马达或电动机。图9A到图9C表示了另一种实施方式，其利用一液压缸60和一连接装置61向驱动轴30施加扭矩。图10A到图10C所示的实施方式采用扭转套筒70和TDS主电机向驱动轴30施加扭矩，以便于旋紧/松开冲洗管组件34与鹅颈管15的螺纹连接器25、以及主轴16的螺纹连接器29之间的螺纹连接。

如图5和图6所示，尽管可用手将冲洗管组件34插置到罩帽开孔26中，但也可采用一个可选的支架28，其靠近冲洗管罩帽14上的罩帽开孔26，用于将一冲洗管定位机构35可转动地连接到罩帽14上。在图5、6所示的实施方式中，冲洗管定位机构35包括一枢转连杆39，其一端可转动地连接到支架28上，另一端可转动地连接到一定位轭架36上。枢转连杆39和定位轭架36的转动平面均基本上垂直于主轴16的轴线。定位轭架36与枢转连杆39之间的可转动连接器包括一举升螺母37和一举升螺杆38，这二者组合起来就可以使定位轭架36能沿着一路径垂直移动，该移动路径是由举升螺杆38的长度方向限定的，且基本上垂直于定位轭架36的自由转动平面。

在图5和图6所示的实施方式中，定位轭架36是一薄板件，且是一个基本上为U形的机构，其半圆形的开口适于在包封箱带齿螺母齿牙部分的下方抱夹着冲洗管组件34。两个小的定位销53从由定位轭架36的上表面限定的平面向上延伸。定位销53被布置在某些位置，这些位置使得定位销53b能处于包封箱带齿螺母的齿牙之间，从而在冲洗管组件34被摆送到罩帽开孔26中时能对促其稳定，由此，利用枢转连杆39和定位轭架36的转动运动，就可将冲洗管组件34置于连接位置(见图5)上，或使其从罩帽开孔26中移出、从而处于脱开位置或更换位置上(见图6)。在支架28和枢转连杆39上分别钻制有垂直的对准孔48a和48b，当冲洗管组件处于连接位置时，这两个对准孔相互对准(见图6)。利用一个穿过对准孔48a和48b的保持销40或其它装置，可锁止枢转连杆39的转动，从而将枢转连杆39固定在连接位置上。类似地，在枢转连杆39的另一端和定位轭架36上分别钻有垂直的对准孔47a和47b，当冲洗管组件处于连接位置时，两对准孔47a、47b相互对正，这样就允许保持销40或其它装置穿过对准孔47a和47b，由此将定位轭架36固定在冲洗管组件连接位置上。

尽管冲洗管定位机构35可以是如上文所述的那样，但不难理解：本发明的设计可与任何的定位机构配套使用，只要该机构能将冲洗管组件34稳固地移入到冲洗管罩帽14的罩帽开孔26中、或从冲洗管罩帽中移出即可—且不论冲洗管组件是否被联接到冲洗管罩帽的安装板28上。

尽管上文中对冲洗管组件34和扭矩驱动机构的描述介绍了一种由两个互锁齿轮构成的组件，但可以理解：根据本发明，可应用任何能相互作用的冲洗管组件34和扭矩驱动机构，由此可施加特定量的扭矩，从而旋紧或松开冲洗管组件34与鹅颈管15及主轴16之间的连接器。

本发明还涉及一种用于安装/拆卸冲洗管组件34的方法。更具体来讲，该方法包括操作：接合/松开鹅颈管15的螺纹连接器25与冲洗管组件34的鹅颈管螺母之间的螺纹连接、以及主轴16的螺纹连接器29与冲洗管组件34的包封箱螺母之间的螺纹连接。

如图5、图6所示，冲洗管组件34一个典型的安装过程是从停止主轴16的转动开始的，该操作例如是通过一马达制动器完成的，该制动器向TDS马达施加作用、以阻止主轴16的转动。在主轴16的转动被停止之后，拆去将枢转连杆39和定位轭架36固定在冲洗管组件连接位置上的保持销40，因而使两机构可自由转动。将冲洗管组件34以一定的方式放置在定位轭架36上，以使得两定位销53位于包封箱带齿螺母的齿牙之间，从而，在安装过程中能将冲洗管组件34固定在定位轭架36上。然后，通过将定位轭架36和枢转连杆39转动到冲洗管组件连接位置上，而将冲洗管组件34移动到冲洗管罩帽14中的某个位置处，此位置位于主轴16的正上方。然后，通过对举升螺母37进行操作而放低定位轭架36，由此将冲洗管组件34下放到主轴16上。然后将定位轭架36从冲洗管罩帽14内转动出去。

一旦将冲洗管组件34定位在罩帽14中之后，就开始旋转两个螺母，以便于将鹅颈管15的螺纹连接器25与冲洗管组件34的鹅颈管螺母以及主轴16的螺纹连接器29与冲洗管组件34的包封箱螺母接合起来。在由扭矩驱动机构经驱动轴30和小齿轮32向冲洗管组件34施加扭矩、以旋紧螺纹连接器之前，可选地是：由人工将鹅颈管螺母和包封箱螺母与分属鹅颈管15和主轴16的螺纹连接器25、29接合起来。人工接合两螺母就需要用手来转动螺母，从而就可将螺母旋接到所针对的连接器上。

在螺母分别与连接器25、29接合起来之后，将螺母旋紧到某一工作扭矩上，以适当地接合着冲洗管组件34的动态密封件49。利用扭矩驱动机构、经驱动轴30和小齿轮32来将带齿螺母旋紧到理想工作扭矩的操作将需要小齿轮32的齿牙与带齿螺母的齿牙相啮合。在图5、6所示的实施方式中，通过使驱动轴30沿其自身轴线滑动而将小齿轮32升高或降低到合适的位置上、从而使小齿轮与带齿螺母对正，由此使小齿轮32与带齿螺母相啮合。在图5、6所示的实施方式中，设置了可选置的翼形螺杆33，以便于将小齿轮32锁定在高度合适的位置上，从而使小齿轮32与带齿螺母稳固地互锁着。此外，本发明的驱动轴30还可包括一光学指示器，其被布置成这样：当小齿轮32被正确地定位、从而可与带齿螺母互锁时，其能向工作人员提供一个光学信号。

尽管在本发明的上述实施方式中是借助于工作人员施加的人力来使小齿轮32在垂直方向上移动，但也可以采用任何其它的方法来移动小齿轮32，将其升高或降低，以便于使其与带齿的螺母相接合。在本发明的一备选实施方式中，利用一液压缸来自动地升高或降低驱动轴30上的小齿轮32。在本发明的又一种实施方式中，利用气动装置来升高或降低小齿轮32。如果利用自动化机构来完成对小齿轮32的升高和降低，则可通过设置在任何便利位置上的控制件和显示指示器来实现对小齿轮32高度的控制、以及对小齿轮32位置的指示，其中的便利位置包括钻探设备上远离冲洗管罩帽14的上部区域。

在小齿轮32与带齿螺母中之一相啮合的情况下，驱动轴30被转动，这反过来会使小齿轮32转动，并进而转动与其接合的带齿螺母、以及与两螺母相对应的连接器25或29。按照这种方式，带齿螺母就能将冲洗管组件34与分属鹅颈管15或主轴16的对应连接器25或29旋接起来，并将螺母旋紧到其工作扭矩上，从而可接合着设置在冲洗管组件34中的动态密封件49，这样就在主轴16与鹅颈管15之间形成密封的流体管道23。

如前所述，可用任意数目个本领域公知的装置来转动驱动轴30。图4表示了本发明的一实施方式，在该实施方式中，一扭矩倍增器44通过一适配套筒件43连接到驱动轴30的顶部上，且在扭矩倍增器44的上方连接着人力扭矩扳手45。在该实施方式中，扭矩扳手45被用来转动驱动轴30。在那些包括人力扭矩扳手45和扭矩倍增器44的实施方式中，是由工作人员向人力扭矩扳手45施加一个作用力、由此产生一输入力矩来实现带齿螺母与它们对应连接器25和29之间的螺纹连接。输入力矩被扭矩倍增器44倍增，然后作为增大的输出力矩、经驱动轴30和小齿轮32传递给冲洗管组件34上的带齿螺母(如上文所述的那样，带齿螺母在先前已被啮合上)。小齿轮32将该输出扭矩施加给接合着的带齿螺母，使得带齿螺母分别逆着各自对应的连接器25或29转动。随着带齿螺母逆着各自对应的连接器25或29旋紧，工作人员施加的作用力也不断增大，直到人力扭矩扳手指示带齿螺母已经达到理想的工作扭矩时位置。扭矩扳手45(见图7E和7F)一般是通过产生可被听得见的咔嗒声或提供一个代表当前所施加扭矩的读数来表明已经达到了理想的扭矩。尽管对于具体的连接器可施加任何合适数值的扭矩，但在一示例性的实施方式中，工作人员可向人力扭矩扳手45施加一个作用力，该作用力所产生的输入扭矩可高达125英尺-磅。然后，扭矩倍增器44将这一数值水平的输入扭矩转换为约等于7500英尺-磅的输出扭矩。很显然，上述的扭矩参考值只是示例性的，本发明可考虑采用很宽数值范围内的输入扭矩和输出扭矩，且扭矩的合适数值将取决于所用连接器的类型。

在图8所示的另一种可能的实施方式中，一马达联轴节51和一马达50顶置在驱动轴30上方。马达50被按照一定方式连接到冲洗管罩帽14或TDS电机壳体17上，以使得马达50能无需自身发生转动地向驱动轴30施加转动力。马达50可以是电动机、液压马达或气动马达。利用位于本地或远程区域的常规控制机构，使马达输出的扭矩成为可控的。马达50通过向驱动轴30施加转动力，使得带齿螺母与它们所对应的连接器25、29之间可被接合上、或被脱开。马达50被可拆卸地、或永久地安装到任何方便的安装点上，以使得马达50的壳体在其动力轴向驱动轴30施加转动力时不会发生转动。马达50可由一控制机构进行人工操作，该控制机构例如是位于附近、或位于一个方便的远程地点的扳钮开关。

图9A到图9C所示的实施方式采用了液压缸60，其与连接装置61相连接，其中的连接装置61例如是一臂件。液压缸60是由一手动泵或动力液压泵驱动的，其向连接装置61施加一个作用力，连接装置反过来再向驱动轴30施加一个转动力。在图9A到图9C所示的实施方式中，液压缸60的一端可拆卸地联接到一锚固点上，该锚固点例如是冲洗管罩帽14的外表面，而液压缸60的另一端则可转动地联接着臂件61的一端。臂件61的另一端被按照一定方式联接到驱动轴30的顶部上，以使得由液压缸60作用到连接装置61第一端上的线性力能在驱动轴30上产生一个转动力，然后，该转动力被从驱动轴30传递给小齿轮32，反过来再从小齿轮传递给其所接合的带齿螺母，由此可接合或松开带齿螺母与对应连接器25或29之间的螺纹连接。

尽管上述的实施方式都描述的是这样的冲洗管组件34：在该组件中，可控的扭矩是通过一单独的小齿轮32和驱动轴30施加到连接器上的，但不难理解：本发明可采用任何合适的机构，只要其能实现下述的操作即可：将一可控的扭矩施加器与冲洗管组件34联接起来，由此接合或脱开冲洗管组件的螺母与鹅颈管15及主轴16之间的连接器。

举例来讲，图10A和图10B描绘了本发明另一种可能的实施方式。该实施方式并不像上述的各个实施方式那样需要设置驱动轴30、小齿轮32或单独的驱动机构。在该实施方式中，一扭转套筒70包括一个用于对螺母进行接合的金属套管，其可滑动地套装在冲洗管组件34的外侧。在该实施方式中，其上设置有扭转套筒70的整个冲洗管组件34都被布置到冲洗管罩帽14的罩帽开孔26中。如上文所述那样，可利用可选的枢转连杆39和定位轭架36将冲洗管组件34换入到冲洗管罩帽14中，或者也可以通过人工将冲洗管组件34插入到罩帽14中。

一旦扭转套筒70被安装就位之后，将一套管扳手71可拆卸地套接到扭转套筒70上，以使得扳手71的纵长部分沿着罩帽的铸造边缘延伸，其中的铸造边缘位于装配剪切销72a与一破开剪切销72b之间。在该实施方式中，对包封箱螺母与主轴16的接合工作是从如下的操作开始的：人工转动包封箱螺母，直到该螺母的螺纹与主轴16螺纹连接器29的螺纹相互旋合为止，由此使连接器处于正确的旋接状态。然后，将扭转套筒70与包封箱螺母接合起来，从而可防止包封箱螺母发生转动。在扭转套筒70以及其所连接的套筒扳手71被如上述那样进行设置的条件下，将TDS马达的扭矩设定为约10000磅-英尺，该扭矩被用来使主轴16相对于冲洗管组件34转动，从而能旋紧包封箱螺母与主轴16之间的螺纹连接。对鹅颈管15的螺纹连接器25与鹅颈管螺母之间的连接部进行接合的过程是类似的，区别只在于需要克服重力固定着扭转套筒70。可通过采用任何方便的紧固装置来实现这一要求，例如可采用一对锁定螺杆(图中未示出)。在扭转套筒70被固定就位的情况下，TDS马达的扭矩被设定为约7000磅-英尺，以此来缓慢地转动主轴，从而将鹅颈管15的螺纹连接器25与鹅颈管螺母接合起来。

尽管上文对本发明冲洗管组件34应用方法的讨论集中于冲洗管组件34与主轴16和/或鹅颈管15的接合，但可以理解：除了扭矩的施加方向之外，将冲洗管组件螺母的连接关系脱开的所有过程都与上述的方法相同。应当指出的是：在上述的实施方式中，是利用TDS马达向冲洗管组件的螺母施加扭矩，由于在进行接合的过程中施加到鹅颈管上的扭矩较小，所以必须要先将鹅颈管连接器脱开。施加到鹅颈管连接器上的扭矩与螺母的扭矩是相反的，螺母的接合扭矩约为10000磅-英尺

尽管上文对本发明的几种实施方式进行了描述，但本领域技术人员可清楚地认识到：这些实施方式仅是本发明少数几种可能的实例。

Claims (23)

1.钻探系统，其包括：

一可转动的第一管状连接器(29)；

一不可转动的第二管状连接器(25)；

一冲洗管组件(34)，其包括至少一个动态密封件(49)，并且形成一流体管道(23)，该管道在一端具有一第一配接连接器(42)且在另一端具有一第二配接连接器(41)，所述两个配接连接器被设计成与第一、第二管状连接器(29、25)相互连接起来；以及

一扭矩驱动器，其被设置对冲洗管组件(34)执行机械接合，从而在所述第一配接连接器(42)与所述第一管状连接器(29)之间、以及在所述第二配接连接器(41)与所述第二管状连接器(25)之间形成流体通路；其特征在于：

一可转动的驱动轴(30)，该驱动轴具有一与其连接的小齿轮(32)，该小齿轮能够沿着所述驱动轴(30)移动，以便在所述第一和第二管配接连接器(42、41)之间移动，并且与所述第一和第二配接连接器(42、41)中的每一个接合和脱开。

2.根据权利要求1所述的钻探系统，其特征在于：所述第一和第二配接连接器(42、41)包括相应的第一和第二带齿螺母。

3.根据权利要求2所述的钻探系统，其特征在于：所述扭矩驱动器的扭矩是可重现的，并且该扭矩驱动器被联接到所述驱动轴(20)上，从而通过对所述驱动轴(30)进行操作，在所述第一带齿螺母与所述第一管状连接器(29)之间、以及所述第二带齿螺母与所述第二管状连接器(25)之间形成流体通路。

4.根据权利要求1或2所述的钻探系统，其特征在于：所述扭矩驱动器选自于如下组类：扭矩扳手(45)、扭矩驱动马达(50)和液压缸(60)。

5.根据权利要求4所述的钻探系统，其特征在于：所述扭矩驱动马达(50)选自于如下组类：气动马达、液压马达、以及电动机。

6.根据权利要求1或2所述的钻探系统，还包括：一定位机构(35)，其用于将所述冲洗管组件(34)在一冲洗管组件连接位置与一冲洗管组件更换位置之间移动。

7.根据权利要求6所述的钻探系统，其特征在于：所述定位机构包括一定位轭架(36)和一枢转连杆(39)。

8.根据权利要求7所述的钻探系统，其特征在于：所述枢转连杆(39)包括一举升螺母(37)和一举升螺杆(38)，这二者相配合而使所述定位轭架(36)沿一路径垂直移动，所述的路径由所述举升螺杆(38)的长度所限定。

9.根据权利要求2所述的钻探系统，其特征在于：一液压缸(60)使驱动轴小齿轮(32)沿着所述驱动轴移动，由此使所述小齿轮可与所述第一带齿螺母和第二带齿螺母中的每一个接合和脱开。

10.根据权利要求2所述的钻探系统，其特征在于：一气动装置使驱动轴小齿轮(32)沿着所述驱动轴(30)移动，以使得所述小齿轮可与所述第一带齿螺母和第二带齿螺母中的每一个接合或脱开。

11.根据权利要求1或2所述的钻探系统，其特征在于：所述可转动的第一管状连接器是一根与一钻杆柱相连接的主轴(16)，且所述不可转动的第二管状连接器是与一钻探泥浆供应管相连接的一鹅颈管(15)组件。

12.在一钻探系统中连接一冲洗管组件的方法，其包括以下的步骤：

设置一可转动的第一管状连接器(29)；

设置一不可转动的第二管状连接器(25)；

设置一冲洗管组件(34)，其包括至少一个动态密封件(49)，并且形成一流体管道(23)，该管道在一端具有一第一配接连接器(42)且在另一端具有一第二配接连接器(41)，所述两个配接连接器被设计成与所述第一、第二管状连接器(29、25)相互连接起来；以及

向所述第一和第二配接连接器(42、41)施加一扭矩，从而在所述第一配接连接器(42)与所述第一管状连接器(29)之间、以及在所述第二配接连接器(41)与所述第二管状连接器(25)之间形成流体通路；

其特征在于：

设置一可转动的驱动轴(30)，该驱动轴具有一与其连接的小齿轮(32)，该小齿轮能够沿着所述驱动轴(30)移动，以便在所述第一和第二管配接连接器(42、41)之间移动，并且与所述第一和第二配接连接器(42、41)中的每一个接合和脱开。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述第一和第二配接连接器(42、41)包括相应的第一和第二带齿螺母。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：向所述驱动器(30)施加可重现的扭矩，从而通过对所述驱动轴(30)进行操作，在所述第一带齿螺母与所述第一管状连接器(29)之间、以及所述第二带齿螺母与所述第二管状连接器(25)之间形成流体通路。

15.根据权利要求12至14之一所述的方法，其还包括步骤：设置一扭矩驱动器，其用于向所述第一和第二连接器(29、25)施加扭矩，所述扭矩驱动器选自于如下组类：扭矩扳手(45)、扭矩驱动马达(50)和液压缸(60)。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述扭矩驱动马达(50)选自于如下组类：气动转矩驱动马达、液压转矩驱动马达、以及电动转矩驱动马达。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：从所述可转动的第一管状连接器(29)向所述冲洗管组件(34)传递扭矩的步骤包括：将来自于所述可转动的第一管状连接器(29)的扭矩传递给所述第一带齿螺母，从而在所述第一带齿螺母与所述第一管状连接器(29)之间形成流体通路；以及将来自于所述可转动的第一管状连接器(29)的扭矩传递给所述第二带齿螺母，从而在所述第二带齿螺母与所述第二管状连接器(25)之间形成流体通路。

18.根据权利要求12至14之一所述的方法，其还包括步骤：设置一定位机构(35)，其用于将所述冲洗管组件(34)在一冲洗管组件连接位置与一冲洗管组件更换位置之间移动。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于：所述定位机构(35)包括一定位轭架(36)和一枢转连杆(39)。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于：所述枢转连杆(39)包括一举升螺母(37)和一举升螺杆(38)，这二者相配合而使所述定位轭架(36)沿一路径垂直移动，所述路径由所述举升螺杆(38)的长度限定。

21.根据权利要求13所述的方法，其还包括步骤：设置一液压缸，其使所述驱动轴小齿轮(32)沿所述驱动轴(30)移动，以使得所述小齿轮可与所述第一带齿螺母和第二带齿螺母中的每一个接合和脱开。

22.根据权利要求13所述的方法，其还包括步骤：设置一气动装置，其使所述驱动轴小齿轮(32)沿所述驱动轴(30)移动，以使得所述小齿轮可与所述第一带齿螺母和第二带齿螺母中的每一个接合和脱开。

23.根据权利要求12至14之一所述的方法，其特征在于：所述可转动的第一管状连接器是一根与一钻杆柱相连接的主轴(16)，且所述不可转动的第二管状连接器是与一钻探泥浆供应管相连接的一鹅颈管(15)组件。

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