CN101432498B - 顶部驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于井眼操作的顶部驱动装置，所述顶部驱动装置包括主体(130)；具有贯穿其中的流动孔(163)的主轴(160)，所述流动孔用作钻井液的通道；环绕至少部分主轴(160)并与其驱动连接的套筒轴(190)以及用于使套筒轴(190)旋转的马达装置(120)，其特征在于，齿轮系统(146)布置在马达装置(120)和套筒轴(190)之间，用来使套筒轴(190)旋转，从而驱动主轴(160)，主轴(160)穿过齿轮系统(146)，主轴(160)可通过将主轴(160)从套筒轴(190)上拆开并从套筒轴(190)提升主轴(160)而从主体(120)拆卸下来。

Description

顶部驱动装置
技术领域
本发明涉及用于钻井眼的顶部驱动装置。 
背景技术
一种用于钻井眼(比如油气井)的顶部驱动系统是两种常见类型的系统中的一种，另一种是转盘系统。顶部驱动系统通常包括主体，所述主体容纳用于使接头旋转的马达，其具有连接到接头上的转子，所述接头可连接到单根管、管立根或管柱上。所述管可以是下列管中的任一种：钻杆、套管、衬管、附加管或任何在井眼(比如油气井)的构建、维修和修理中使用的其他管。顶部驱动系统通常布置在钻机的井架上的基本上竖直的轨道上。顶部驱动系统利用越过与顶部驱动系统连接的游动滑车上的天车的绳在轨道上提升和下放。所述绳使用通常称为绞车的绞盘被卷入和放出。顶部驱动系统从而可以被用于使管进出井眼；使钻柱旋转以利于钻井眼；以及使单根管或管立根相对于悬持在井眼中的管柱旋转以便螺纹连接或拆开钻柱中的管柱，从而加长或缩短管柱。吊卡通常依靠连接到顶部驱动上的连接件来便于操作管以及对准接头以便与其连接或拆开。顶部驱动系统也可以与被动或主动驱动的卡盘和/或旋转夹钳结合使用以便于管与管柱的连接和拆开。 
现有技术公开了多种顶部驱动系统，比如在下列美国专利中所公开的系统：4,458,768；4,807,890；4,984,641；5,433,279；6,276,450；4,813,493；6,705,405；；4,800,968；4,878,546；4,872,577；4,753,300；6,007,105；6,536,520；6,679,333；6,923,254，在此完全包含所有这些专利用于各种目的。 
发明内容
根据本发明，提供了一种用于井眼操作的顶部驱动装置，所述顶部驱动装置包括：主体；具有贯穿其中的流动孔的主轴，所述流动孔用作钻井液的通道；环绕至少部分主轴并与其驱动连接的套筒轴；以及用于使套筒轴旋转的马达装置，其特征在于，齿轮系统布置在马达装置和套筒轴之间，用来使套筒轴旋转，从而驱动主轴，主轴穿过齿轮系统，主轴可通过将主轴从套筒轴上拆开并从所述套筒轴提升所述主轴而从主体上拆卸下来。 
优选地，主轴从主体延伸。有利的是，顶部驱动装置还包括位于主轴上方的与主体连接的上部部件，上部部件可从主体拆开以允许从主体提升主轴。优选地，上部部件包括下列部件中的至少一个：与主体连接的帽(bonnet)、与主轴流体连通的冲管；以及与冲管流体连通的鹅颈管。 
优选地，顶部驱动装置还包括具有贯穿其中的中心孔的连接接头，主轴穿过连接接头的中心孔。有利的是，顶部驱动装置还包括与主轴连接的负载环，连接接头位于负载环的上方。优选地，顶部驱动装置还包括弹簧夹头(spring cartridge)装置，所述弹簧夹头装置具有顶部环、底部环和位于顶部环和底部环之间并将顶部环和底部环推压分开的多个弹簧，所述弹簧夹头装置位于连接接头内并且推压连接接头远离负载环，以使得在连接接头和负载环之间保持间隙直到连接接头支承能克服弹簧的推力的足够重量。优选地，顶部驱动系统还包括用于可选择地锁定或旋转连接接头的旋转系统。可以提供马达以便用于驱动旋转。优选地，旋转系统包括内啮合齿轮箱、可旋转地安装在内啮合齿轮箱内的内啮合齿轮(ring gear)和用于驱动内啮合齿轮从而使连接接头旋转的马达。有利的是，旋转系统还包括用于将驱动从马达传送到内啮合齿轮的齿轮传动装置。优选地，顶部驱动系统还包括两端带法兰的短管，所述两端带法兰的短管环绕主轴布置在内啮合齿轮箱和连接接头之间。有利的是，两端带法兰的短管绕从主体悬挂下来并且绕主轴布置的杆可旋转地布置，优选地，与其同心布置。有利 的是，顶部驱动系统还包括用于允许连接接头旋转的牵引链系统，所述牵引链系统包括外壳；可旋转地安装在外壳内的两端带法兰的短管；带有第一端部和第二端部的链，第一端部与两端带法兰的短管连接，第二端部与连接接头连接，所述链能够缠绕到两端带法兰的短管上或从其上解开缠绕，解开缠绕的链接收在外壳中；所述链承载的多个管道，所述管道用于在牵引链系统和连接接头下方的部件之间传输信号或动力流体；以及与两端带法兰的短管连接用于使两端带法兰的短管和连接接头旋转的旋转系统。 
优选地，齿轮系统封装在齿轮箱中。有利的是，齿轮箱将齿轮系统封装于润滑剂中。优选地，齿轮箱至少部分被套筒轴的外表面定界。 
优选地，套筒轴用第一连接器装置和第二连接器装置与主体连接，套筒轴上的张力通过所述第一连接器装置传给主体，转矩通过所述第二连接器装置从马达齿轮系统传给套筒轴。第二连接器可以能不承载拉伸力或者可以能承载部分拉伸力(例如管单根或立根)，但是不能承载管柱，而第一连接器能够承载至少一根管立根，优选一根管柱。通常，管柱的数量级为十到几百吨。有利的是，第一连接器装置包括从布置在主体中的轴承(优选推力轴承)上的套筒轴延伸的法兰。有利的是，第一连接器装置包括锥形锁定连接器。 
有利的是，主轴用第一连接器装置和第二连接器装置与套筒轴连接，主轴上的张力通过所述第一连接器装置传给主体，转矩通过所述第二连接器装置在套筒轴和主轴之间传送。优选地，第一连接器装置包括从主轴延伸的负载肩，其置于套筒轴顶端部上。优选地，所述肩栓接到套筒轴上。有利的是，第一连接器装置包括至少一个可膨胀的锥形旋入转矩传输衬套。 
优选地，顶部驱动装置还包括两个间隔开的提环，每个提环具有两个间隔开的下端部，每个下端部与主体连接，从而为提环提供了提环和主体之间的四点连接以便支承顶部驱动系统。 
因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于井眼操作的顶部驱动装置，所述顶部驱动装置包括：主体；具有贯穿其中的流动孔的 主轴，所述流动孔用作钻井液的通道；环绕至少部分主轴并与其驱动连接的套筒轴；以及用于使套筒轴旋转的马达装置，齿轮系统布置在马达装置和套筒轴之间以使套筒轴旋转，从而驱动主轴，主轴穿过齿轮系统，其特征在于，所述顶部驱动装置还包括用于锁定或旋转连接接头的旋转系统，所述连接接头具有贯穿其中的中心孔，所述主轴穿过所述连接接头的中心孔，所述旋转系统包括内啮合齿轮箱、可旋转地安装在内啮合齿轮箱内的内啮合齿轮以及用于驱动内啮合齿轮从而使连接接头旋转的马达，所述顶部驱动装置还包括两端带法兰的短管，所述两端带法兰的短管环绕主轴布置在内啮合齿轮箱和连接接头之间，所述主轴能通过将主轴从套筒轴上拆开并从套筒轴提升主轴而从主体拆卸下来。 
优选地，所述顶部驱动装置还包括位于主轴上方的与主体连接的上部部件，上部部件能与主体拆开以允许从主体提升主轴。 
优选地，上部部件包括下列部件中的至少一个：与主体连接的帽、与主轴流体连通的冲管、以及与冲管流体连通的鹅颈管。 
优选地，所述顶部驱动装置还包括与主轴连接的负载环，连接接头位于负载环的上方。 
优选地，所述顶部驱动装置还包括弹簧夹头装置，所述弹簧夹头装置具有顶部环、底部环和位于顶部环和底部环之间并将顶部环和底部环推压分开的多个弹簧，所述弹簧夹头装置位于连接接头内并且推压连接接头远离负载环，使得在连接接头和负载环之间保持一间隙直到连接接头支承能克服弹簧的推压的足够重量。 
优选地，所述旋转系统还包括用于将驱动从马达传给内啮合齿轮的齿轮传动装置，其中两端带法兰的短管绕从主体悬挂下来并且绕主轴布置的杆可旋转地布置。 
优选地，所述顶部驱动装置还包括用于允许连接接头旋转的牵引链系统，所述牵引链系统包括外壳；可旋转地安装在外壳内的所述两端带法兰的短管；带有第一端部和第二端部的链，第一端部与两端带法兰的短管连接，第二端部与连接接头连接，所述链能够缠绕到两端 带法兰的短管上或从两端带法兰的短管上解开缠绕，解开的链接收在外壳内；用于由链承载的多个管道，所述管道用于在牵引链系统和位于连接接头下方的部件之间传输信号或动力流体；以及与两端带法兰的短管连接的所述旋转系统，所述旋转系统用于使两端带法兰的短管和连接接头旋转。 
优选地，齿轮系统封装在齿轮箱中，齿轮箱将齿轮系统封装于润滑剂中，齿轮箱至少部分由套筒轴的外表面定界。 
优选地，套筒轴用第一连接器装置和第二连接器装置与主体连接，套筒轴上的张力通过所述第一连接器装置传给主体，转矩通过所述第二连接器装置从齿轮系统传给套筒轴。 
优选地，第一连接器装置包括从布置在主体中的轴承上的套筒轴延伸的法兰。 
优选地，主轴用第一连接器装置和第二连接器装置与套筒轴连接，主轴上的张力通过所述第一连接器装置传给主体，转矩通过所述第二连接器装置在套筒轴和主轴之间传送。 
优选地，第一连接器装置包括从主轴延伸的负载肩，所述负载肩置于套筒轴顶端部上，并且，优选地，第二连接器装置包括至少一个可膨胀的锥形旋入转矩传输衬套。 
优选地，所述顶部驱动装置还包括两个间隔开的提环，每个提环具有两个间隔开的下端部，而且每个下端部与主体连接，从而为提环提供了提环和主体之间的四点连接以便支承顶部驱动装置。 
根据本发明的另一个方面，提供了一种用于拆解顶部驱动装置的方法，所述顶部驱动装置包括：主体；具有贯穿其中的流动孔的主轴，所述流动孔用作钻井液的通道；环绕至少部分主轴并与其驱动连接的套筒轴；以及用于使套筒轴旋转的马达装置，齿轮系统布置在马达装置和套筒轴之间，用来使套筒轴旋转从而驱动主轴，主轴穿过齿轮系统；用于锁定或旋转连接接头的旋转系统，所述连接接头具有贯穿其中的中心孔，所述主轴穿过所述连接接头的中心孔，所述旋转系统包括内啮合齿轮箱、可旋转地安装在内啮合齿轮箱内的内啮合齿轮以及 用于驱动内啮合齿轮从而使连接接头旋转的马达，所述顶部驱动装置还包括两端带法兰的短管，所述两端带法兰的短管环绕主轴布置在内啮合齿轮箱和连接接头之间，所述方法包括通过将主轴从套筒轴上拆开并从套筒轴提升主轴从而将主轴从主体上拆卸下来的步骤。 
优选地，齿轮系统封装在齿轮箱中，齿轮箱包含用于润滑所述齿轮系统的润滑剂，所述方法包括从套筒轴提升主轴而不会将润滑剂从齿轮箱释放出或排出的步骤，优选地，套筒轴形成齿轮箱的部分，以使得主轴的提升不会导致润滑剂从齿轮箱释放出或排出。 
本发明还提供一种拆解顶部驱动装置的方法，所述顶部驱动装置包括主体；具有贯穿其中的流动孔的主轴，所述流动孔用作钻井液的通道；环绕至少部分主轴并与其驱动连接的套筒轴；以及用于使套筒轴旋转的马达装置，齿轮系统布置在马达装置和套筒轴之间，其用来使套筒轴旋转，从而驱动主轴，主轴穿过齿轮系统，所述方法包括通过将主轴从套筒轴上拆开并从所述套筒轴提升所述主轴从而将主轴从主体拆卸下来的步骤。 
优选地，齿轮系统封装在齿轮箱中，所述齿轮箱包含用于润滑所述齿轮系统的润滑剂，所述方法包括从套筒轴提升主轴而不会将润滑剂从齿轮箱释放出或排出的步骤。有利的是，套筒轴形成齿轮箱的部分，以使得主轴的提升不会导致润滑剂从齿轮箱释放出或排出。 
本发明还提供一种顶部驱动装置，所述顶部驱动装置包括主体；具有贯穿其中的流动孔的主轴，所述流动孔用作钻井液的通道；以及用于使主轴旋转的马达装置，其特征在于，主体从两个分隔开的提环悬挂下来，每个提环具有两个间隔开的下端部，每个下端部与主体连接，从而为提环提供了提环和主体之间的四点连接以便支承顶部驱动系统。 
本发明还提供一种顶部驱动装置，所述顶部驱动装置包括主体；具有贯穿其中的流动孔的主轴；所述流动孔用作钻井液的通道；以及用于使主轴旋转的马达装置，其特征在于，连接接头从主体悬挂下来，所述连接接头可绕主轴相对于主体旋转，所述主轴包括负载环，所述 连接接头可置于所述负载环上，所述连接接头最初与在弹性设备上的负载环分隔开，以使得当足够的重量附加到连接接头上时，连接接头置于负载环上，将重量传给主轴。优选地，弹性装置包括弹簧夹头装置，所述弹簧夹头装置包括顶部环、底部环和位于顶部环和底部环之间并且将顶部环和底部环推压分开的多个弹簧，所述弹簧夹头装置位于连接接头内并且推压连接接头远离负载环，以使得在连接接头和负载环之间保持一间隙直到连接接头支承能克服弹簧的推压的足够重量。有利的是，连接接头可在旋转系统上旋转。优选地，顶部驱动系统还包括牵引链系统。 
附图说明
现在参照附图通过实例的方式来更好地理解本发明，其中： 
图1是现有技术的顶部驱动系统的示意图； 
图2A是根据本发明的顶部驱动系统的主视图； 
图2B是图2A所示的顶部驱动系统的侧视图； 
图2C是图2A所示的顶部驱动系统的俯视图； 
图2D是图2A所示的顶部驱动系统的后透视图； 
图2E是图2A所示的顶部驱动系统的前透视图； 
图2F是拆除了其他部件的图2A所示顶部驱动系统的一部分的透视图的放大图； 
图2G是与吊卡管抓(dolly)连接的图2A所示顶部驱动系统的侧视图，虚线表示顶部驱动系统如何被下放并移动更靠近吊卡管抓，为了便于说明，在此表示的顶部驱动系统为固定不动的； 
图3A是图2A所示的顶部驱动系统的横截面的主视图； 
图3B是图3A所示视图的部分的放大图； 
图3C是图3A所示视图的部分的放大图； 
图3D是图3A所示视图的部分的放大图； 
图4是图2A所示的顶部驱动系统的部分的透视图； 
图5是图2A所示的顶部驱动系统的部分的透视图； 
图6是图2A所示的顶部驱动系统的部分的透视图； 
具体实施方式
图1说明了现有技术的顶部驱动系统，其在结构上由井架11支承。顶部驱动系统10具有多个部件，包括：旋转接头(swivel)13、顶部驱动装置14、主轴16、外壳17、钻杆18/钻柱19和钻头20。这些部件共同地从游动滑车12上悬挂下来，所述游动滑车12允许它们在与井架11连接的轨道22上上下运动，所述轨道22用于引导这些部件的竖直运动。在利用顶部驱动装置或其部件操作期间(例如钻井期间)，所产生的转矩通过吊卡管抓(未显示)传送给井架11。主轴16延伸穿过马达外壳17并与钻杆18连接。钻杆18通常与一系列管状件(共同地称为钻柱19)的一端通过螺纹连接。钻柱19的相对端与钻头20通过螺纹连接。 
在操作期间，封装在外壳17内的马达装置15(示意性显示)使主轴16旋转，主轴16又使钻杆18/钻柱19和钻头20旋转。钻头20的旋转形成井眼21。泵送到顶部驱动系统中的流体穿过主轴16、钻杆18/钻柱19、钻头20，进入井眼21的底部。当泵送的流体穿过由钻头20的外表面和井眼21的壁形成的环形空间向上从井眼21传出时，钻头20切掉的钻屑从井眼21的底部被清除出去。 
图2A-3D说明了根据本发明的顶部驱动系统100(其可用于代替图1所示的顶部驱动系统10)，其具有从索环(becket)102悬挂下来的支承提环104。使主轴160旋转的马达120支承在主体130上。帽110支承鹅颈管106和冲管108，流体被穿过所述鹅颈管和冲管泵送至系统100并且穿过系统100、穿过贯穿主轴160的流动通道163(见图3A)。在帽110内的是冲管108的上盘根盒(packing box)115(与鹅颈管106连接)和冲管108的下盘根盒117。 
主齿轮箱140封装大齿轮(bull gear)142和其他相关部件，在下文详细描述。 
内啮合齿轮箱150封装内啮合齿轮152和其他相关部件，在下文 详细描述。 
牵引链系统170封装牵引链176和包括软管与绳索的相关部件，在下文描述。所述牵引链系统170省除了对在几种现有系统中使用的旋转头的需要，并且为连接接头180和与其连接的部件的重新定向提供了足够的旋转。 
螺栓112(见图2E和2F)可拆卸地将帽110固定到主体130上。请注意帽110在图2F未显示出来。拆除螺栓112允许拆下帽110。穿过负载肩168的螺栓164可拆卸地将主轴160固定到套筒轴190上(见图3A)。套筒轴190是主轴160和大齿轮142之间的传输件并且在大齿轮142和主轴160之间传输转矩。套筒轴190还将主轴上的管或柱负载的张力传给推力轴承190(而不是传给大齿轮142)。主轴160和套筒轴190之间的转矩传输利用多个间隔开的可膨胀的锥形旋入转矩传输衬套159实现，这些锥形旋入转矩传输衬套159在某些方面减少或消除了主轴160和套筒轴190之间的游隙。主轴160的端部160a(见图2F)被称为“冲管端”。一个或多个密封保持器衬套166(在图2A示意性示出)位于负载肩169的上方。如下文所详细描述，将帽110和穿过负载肩168用于将主轴160固定到套筒轴190上的螺栓拆卸下来，就允许将主轴160从系统100上拆卸下来。上套筒轴轴承144位于套筒轴190的一部分的上方。 
如图2G所示，系统100通过连接到与吊卡管抓134类似的可动装置上而可在桅杆式井架或井架的部分上(类似在井架11的部分上，以及在轨道22上)运动(图2G)。连接件133的端部可枢转地连接到主体130的臂131、132上。连接件133的另外端部可枢转地连接到吊卡管抓134上。这种结构允许顶部驱动系统和相关部件上下并且朝向和远离井中心线运动，如虚线所绘结构所示(在起下钻的同时连接/拆开钻杆时朝向井架运动；在钻井期间朝向井中心运动)。用已知的装置和结构来移动连接件133和移动吊卡管抓134。附图中所示的参考范围表示顶部驱动系统100是固定不动的而吊卡管抓134移动。然而，顶部驱动系统100相对于吊卡管抓运动，所述吊卡管抓固定到井架的 部件上，优选固定在竖直轨道上。 
提环104的上部分在索环102的臂103上延伸并被其支承。每个提环104具有通过销107可枢转地连接到主体130上的两个分隔开的下端部105。两个提环的这种使用将支承负载分配在主体上并为所述负载提供四点支承，经济地减少了主体上的弯曲力矩。 
套筒轴190(见图3A)安放在主推力轴承191上，所述主推力轴承支承套筒轴190、主轴160和连接到主轴160上的任何部件(包括在操作期间，由主轴190支承的任何负载(例如，钻压和起下钻负载))。主体130容纳主推力轴承191并且包含用于主推力轴承191的润滑剂。环形通道145(见图3C)为润滑剂提供从齿轮箱140流向推力轴承的流动路径。 
马达120的轴122驱动可旋转地安装在主体130中的驱动联轴器123，所述驱动联轴器驱动主齿轮箱140中的驱动小齿轮124。驱动小齿轮124驱动用连接器192与套筒轴190连接的大齿轮142(例如，但不局限于，锥形锁定连接器，其中，旋转螺栓193(见图3D)使将零件194栓接在一起的连接器拧紧，所述连接器推压零件194抵靠套筒轴190并且将楔形件195推出以抵靠大齿轮142，从而将大齿轮142固定到套筒轴190上)，驱动套筒轴190从而驱动与套筒轴190连接的主轴160。径向轴承197支承大齿轮142。 
大齿轮142位于齿轮箱140的下部分146内，所述齿轮箱140容纳大齿轮142的润滑剂并且用密封装置148密封，以使得润滑剂不会从齿轮箱140流出和向下流。可以使用任何合适的已知旋转密封件148，或者如在一个特别的方面，密封装置148与在共有PCT申请中公开的密封装置类似，所述PCT申请基于2006年4月28日提出的美国申请，序号为11/414,514，标题为“顶部驱动轴的多重密封件”(“Multi-Seal For Top Drive Shaft”)，在此包含其全部内容用于各种目的。利用这种具有可旋转螺栓149的密封装置，当第一密封结构不再能有效密封时，使螺栓149旋转并将第二密封结构移动到位以达到良好的密封效果。在齿轮箱140内，大齿轮142和驱动小齿轮124置 于润滑油中，从而减少或消除对在各种现有系统中所采用的喷嘴、分配泵和流量或压力传感器的需要。 
容纳内啮合齿轮152的内啮合齿轮箱150也具有可旋转地安装在其内的两个扇形齿轮154，每一个扇形齿轮154可通过相应的液压缸装置156移动以锁定内啮合齿轮152(例如，见图3B和图4)。在内啮合齿轮152解锁(扇形齿轮154从与内啮合齿轮152的啮合中退出来)的情况下，内啮合齿轮箱150下方的部件(例如，连接接头180上的管子操纵装置(未显示))可以旋转。在钻杆与钻柱连接时，内啮合齿轮152可以被扇形齿轮154锁定以作为备用设备来抵抗转矩。当管子操纵装置180保持住而不旋转时(例如当将钻杆接头连接到钻柱上时)，内啮合齿轮152被锁定。连接接头180可随着内啮合齿轮152和两端带法兰的短管(spool)174旋转。参照图4，液压马达158(示意性显示)经由齿轮159使内啮合齿轮旋转，从而又使连接接头180和从所述连接接头悬挂的任何部件旋转；即，在某些方面，允许被支承的管运动至存储区域或从存储区域运动和/或改变悬挂吊卡的方位，例如，使得吊卡的打开咽部面向期望的方向。通常的钻机控制系统用于控制马达158和装置156，而且通常的钻机电力系统为它们提供电力。 
在各种现有顶部驱动系统中，带有多个贯穿其中的通道的旋转头用在系统的一些上部部件和下部部件之间以传送用于控制在旋转头下方的系统部件的液压和气动动力。这种旋转头通常无限制地旋转360度。根据本发明的某些方面，这种旋转头可以与根据本发明的系统一起使用；但是在其他方面，牵引链系统170在内啮合齿轮箱150的下方且在连接接头180的上方使用，以便将流体和信号传给内啮合齿轮箱150下方的部件(例如，见图3B和图5)。牵引链系统170不允许无限制地旋转360度，但是它确实允许在第一方向上或在相对的第二方向上有足够的运动范围，以便完成将由从连接接头180(例如，吊卡和/或管子操纵装置)上悬挂下来的系统部件来实现的所有的功能，在某一方面，旋转运动范围为大约一整圈的四分之三，270度。 
可选地，代替通常的旋转头系统或根据本发明的牵引链系统，各种已知的信号/流体传送装置可与根据本发明的系统一起使用；例如，但不局限于，无线系统或电滑环系统与简化的流体滑环系统组合。 
参照图5和图3B，封装在系统外壳171内的是可旋转的两端带法兰的短管174，其被由多个相互连接的链部分177组成的链176旋转。在一个位置中，链176绕两端带法兰的短管174的外周缠绕。当两端带法兰的短管174被使内啮合齿轮152旋转的液压马达158带动旋转时，链176从两端带法兰的短管174解开缠绕，解开的链部分送入壳体171中，其在所述壳体中驻留直到两端带法兰的短管174沿相反的方向旋转并且链176再次缠绕到两端带法兰的短管174上。 
当链176缠绕或解开缠绕时，软管和缆绳178随着链176缠绕或解开缠绕。链176的部分177具有开口179，软管和绳索178穿过所述开口，以使得在静止和当两端带法兰的短管174被旋转两种情况下，链176支承软管和绳索178并且使它们相对于两端带法兰的短管174保持有条理的、未缠结的布置方式。链176的一端固定到两端带法兰的短管174上。软管和绳索178从两端带法兰的短管174突出来并且向下延伸到系统的部件处(在图3B中示出的一个此类部件为软管或绳索178a)。 
紧固件183将两端带法兰的短管174固定到连接接头180上。由于内啮合齿轮箱150和内啮合齿轮152的尺寸，使得两端带法兰的短管174和内啮合齿轮152的组合(因此，连接接头180和其下悬挂的任何部件)被允许有某一限定程度的竖直运动。内啮合齿轮152可以在箱150内上下移动，例如，在一个特别的方面，移动大约0.25英寸，而且连接接头180相对于负载环184可以移动有限距离(负载环/连接接头的间隙181)，在下文对此详细描述。 
带有顶部环182a和底部环182b的弹簧夹头装置182具有将两个环推压分开的多个间隔开的弹簧188(例如，见图3B和图6)。弹簧夹头182在连接接头180内并且环绕用螺栓185固定到齿轮箱140上的杆186。突入杆186的壁中的环189从其上向外突出并且支承弹簧 夹头装置182。杆186用作连接接头180运动的导向装置，保持连接接头180的对中，并且在某些操作(例如钻井)期间，经由弹簧夹头装置182支承连接接头180。 
在弹簧夹头182内的弹簧188向上推压两端带法兰的短管174，举升所述两端带法兰的短管174、连接接头180和内啮合齿轮箱150以保持连接接头180和负载环184(用开口环167固定到主轴上)之间的间隙181；以便使得，例如在钻井期间，主轴160可以独立于连接接头180和与所述连接接头连接的任何部件旋转。弹簧188可以支承连接接头180、与连接接头180连接的连接件(或提环)(未显示)和吊卡装置(未显示)的重量。当管被吊卡装置接合时，弹簧188收缩，连接接头180向下移动以停靠在负载环184上，然后负载被传送到主轴160并且通过主轴160传送。因此，可以使连接接头180(和与其连接的任何部件)在钻井时保持固定不动。当足够的负载放在连接接头180(例如，当用吊卡提升钻柱时或操作套管时)上时，连接接头180克服弹簧188的作用力向下移动从而闭合间隙181，而且连接接头180停靠在负载环184上，以使得连接接头的负载传送给负载环184。 
因而，根据本发明的某些系统提供了两种方式来传输由系统所支承的管的负载：第一种方式，与主轴连接的管的负载从主轴传送到套筒轴，传送到主推力轴承，传送到主体，传送到提环，传送到索环，传送到钩和/或滑车，以及传送到井架；第二种方式，当柱(例如钻柱)正被举升或下放而不被旋转时(例如，当起下钻杆或下放套管时)，管的负载从管的支撑件(例如吊卡)传送到连接接头180，传送到负载环184，传送到开口环167而且从而传送到主轴160，并且从此处与上述的第一种负载传输路径一样，传送传到井架。 
钻压(钻柱、钻头等的负载)通过在主轴160的端部的螺纹连接传到主轴160。起下钻负载(例如，正被运送和操纵的管的负载)通过连接接头180并通过负载环167传送，而不通过主轴的螺纹连接且不通过任何螺纹连接，以便使得顶部驱动系统的螺纹连接与起下钻负 载隔离。 
与某些现有技术的系统相比，在某些方面，带有多个弹簧188的弹簧夹头182是更简单、被动的装置，其需要较少的维护并且可以减少系统的停机时间。 
主轴160可以从系统100中拆卸下来以便修理主轴或更换主轴，而不用干扰和拆卸系统的齿轮箱和齿轮装置。为了拆卸主轴160，帽110、鹅颈管106、冲管108以及相关的盘根被拆卸下来，这些部件优选整体地拆卸下来。拆卸固定主轴160的螺栓164。拆卸开口环167。将主轴160从套筒轴190上拆开。在拆下负载环184和开口环167之后，则主轴160从系统拆卸下来。在该拆卸过程中，所有的系统齿轮装置和密封件保持到位而且没有润滑剂移出或排出。 
因此，在一些实施例(但不必是所有实施例)中，本发明提供了用于井眼操作的顶部驱动系统，所述顶部驱动系统包括：主体；马达装置；从主体延伸的主轴，所述主轴具有顶端部和底端部，所述主轴具有从上到下贯穿其中的主轴流动孔，钻井液可穿过所述孔流动；与主轴连接并环绕主轴的套筒轴；与套筒轴相互连接的齿轮系统，所述齿轮系统由马达装置驱动，以使得通过驱动齿轮系统来驱动套筒轴，从而驱动主轴，主轴穿过齿轮系统；在主轴的顶端部上方的与主体连接的上部部件；主轴可通过将主轴从套筒轴拆下来、通过将上部部件从主体拆下来并且从主轴的上方移动上部部件以及通过从套筒轴提升主轴而从顶部驱动系统上拆卸下来。 
因此，在一些实施例(但不必是所有实施例)中，本发明提供了用于井眼操作的顶部驱动系统，所述顶部驱动系统包括：主体；马达装置；从主体延伸的主轴，所述主轴具有顶端部和底端部，所述主轴具有从上到下贯穿其中的主轴流动孔，钻井液可穿过所述孔流动；与主轴连接并环绕主轴的套筒轴；与套筒轴相互连接的齿轮系统，所述齿轮系统由马达装置驱动，以使得通过驱动齿轮系统来驱动套筒轴，从而驱动主轴，主轴穿过齿轮系统；具有贯穿其中的中心孔的连接接头，主轴穿过连接接头的中心孔；与主轴连接的负载环；连接接头位 于负载环的上方；在主轴的顶端部上方的与主轴连接的上部部件；主轴可通过将主轴从套筒轴拆下来、通过将负载环从主轴上拆下来、通过将上部部件从主体拆下来并且通过从套筒轴提升主轴而从顶部驱动系统上拆卸下来。这种系统可以以任何可能的组合具有下列特征中的一个或一些：其中，上部部件包括与主体连接的帽、与主轴的顶端部流体连通的冲管、与冲管流体连通的鹅颈管，以及可从主轴的上方移动的上部部件；其中，齿轮系统位于在封装空间内的润滑剂中，而且主轴可拆卸下来而润滑剂不会从封装空间排出；其中，套筒轴用第一连接器和第二连接器连接到主轴上，主轴上的张力通过所述第一连接器传送到套筒轴，转矩通过第二连接器从套筒轴传送到主轴；两个间隔开的提环，每个提环带有两个间隔开的下端部，每一个下端部连接到主体上，从而为提环在提环和主体之间提供了四点连接以支承顶部驱动系统；弹簧夹头装置，具有顶部环、底部环和位于顶部环和底部环之间并将二者推压分开的多个弹簧，弹簧夹头装置位于连接接头内并且推压连接接头远离负载环，以使得在连接接头和负载环之间保持一间隙直到连接接头支承能克服弹簧的推压的足够重量；用于允许连接接头旋转的牵引链系统，所述牵引链系统包括外壳、可旋转安装在所述外壳内的两端带法兰的短管、具有第一端部和第二端部的链(第一端部与两端带法兰的短管连接，第二端部与连接接头连接，链能够缠绕到两端带法兰的短管上并且能从所述两端带法兰的短管上解开缠绕，解开的链接收在外壳内)、由链承载的多个管道(所述管道用于在牵引链系统和连接接头下方的部件之间传输信号或动力流体)以及与两端带法兰的短管连接的旋转系统，用于使两端带法兰的短管和连接接头旋转；其中，旋转系统包括内啮合齿轮箱，可旋转地安装在内啮合齿轮箱内的内啮合齿轮，与内啮合齿轮相互连接的齿轮系统，用于驱动齿轮系统以使内啮合齿轮旋转从而使两端带法兰的短管和连接接头旋转的马达，当连接接头被旋转时，缠绕或解开链；和/或其中，旋转系统包括锁定装置，所述锁定装置用于可选择地防止内啮合齿轮旋转，从而可选择地防止连接接头旋转。 

Claims (17)

1.一种用于井眼操作的顶部驱动装置，所述顶部驱动装置包括：主体(130)；具有贯穿其中的流动孔的主轴(160)，所述流动孔用作钻井液的通道；环绕至少部分主轴(160)并与其驱动连接的套筒轴(190)；以及用于使套筒轴(190)旋转的马达装置(120)，齿轮系统(124、142)布置在马达装置(120)和套筒轴(190)之间以使套筒轴(190)旋转，从而驱动主轴(160)，主轴(160)穿过齿轮系统(124、142)，其特征在于，所述顶部驱动装置还包括用于锁定或旋转连接接头(180)的旋转系统，所述连接接头具有贯穿其中的中心孔，所述主轴(160)穿过所述连接接头(180)的中心孔，所述旋转系统包括内啮合齿轮箱(150)、可旋转地安装在内啮合齿轮箱(150)内的内啮合齿轮(152)以及用于驱动内啮合齿轮(152)从而使连接接头(180)旋转的马达(158)，所述顶部驱动装置还包括两端带法兰的短管(174)，所述两端带法兰的短管(174)环绕主轴(160)布置在内啮合齿轮箱(150)和连接接头(180)之间，所述主轴能通过将主轴从套筒轴上拆开并从套筒轴提升主轴而从主体拆卸下来。
2.根据权利要求1所述的顶部驱动装置，还包括位于主轴(160)上方的与主体(130)连接的上部部件(110)，上部部件(110)能与主体(130)拆开以允许从主体(130)提升主轴(160)。
3.根据权利要求2所述的顶部驱动装置，其中上部部件(106、108、110)包括下列部件中的至少一个：与主体(130)连接的帽(110)、与主轴(160)流体连通的冲管(108)、以及与冲管(108)流体连通的鹅颈管(106)。
4.根据权利要求1所述的顶部驱动装置，还包括与主轴(160)连接的负载环(184)，连接接头(180)位于负载环(184)的上方。
5.根据权利要求4所述的顶部驱动装置，还包括弹簧夹头装置(182)，所述弹簧夹头装置具有顶部环(182a)、底部环(182b)和位于顶部环(182a)和底部环(182b)之间并将顶部环(182a)和底部环(182b)推压分开的多个弹簧(188)，所述弹簧夹头装置(182)位于连接接头(180)内并且推压连接接头(180)远离负载环(184)，使得在连接接头(180)和负载环(184)之间保持一间隙直到连接接头(180)支承能克服弹簧(188)的推压的足够重量。
6.根据权利要求4所述的顶部驱动装置，所述旋转系统还包括用于将驱动从马达(158)传给内啮合齿轮(152)的齿轮传动装置(159)，其中两端带法兰的短管(174)绕从主体(130)悬挂下来并且绕主轴(160)布置的杆可旋转地布置。
7.根据权利要求6所述的顶部驱动装置，还包括用于允许连接接头(180)旋转的牵引链系统(170)，所述牵引链系统(170)包括外壳(177)；可旋转地安装在外壳(177)内的所述两端带法兰的短管(174)；带有第一端部和第二端部的链(176)，第一端部与两端带法兰的短管(174)连接，第二端部与连接接头(180)连接，所述链(176)能够缠绕到两端带法兰的短管(174)上或从两端带法兰的短管上(174)解开缠绕，解开的链(176)接收在外壳(177)内；用于由链(176)承载的多个管道(178)，所述管道(178)用于在牵引链系统(170)和位于连接接头(180)下方的部件之间传输信号或动力流体；以及与两端带法兰的短管(174)连接的所述旋转系统，所述旋转系统用于使两端带法兰的短管(174)和连接接头(180)旋转。
8.根据权利要求1-7中的任一项所述的顶部驱动装置，其中，齿轮系统(124、142)封装在齿轮箱(140)中，齿轮箱(140)将齿轮系统(124、142)封装于润滑剂中，齿轮箱(140)至少部分由套筒轴(190)的外表面定界。
9.根据权利要求1-7中的任一项所述的顶部驱动装置，其中，套筒轴(190)用第一连接器装置和第二连接器装置(164)与主体(130)连接，套筒轴(190)上的张力通过所述第一连接器装置传给主体(130)，转矩通过所述第二连接器装置从齿轮系统(124、142)传给套筒轴(190)。
10.根据权利要求9所述的顶部驱动装置，其中，第一连接器装置包括从布置在主体(130)中的轴承(191)上的所述套筒轴(190)延伸的法兰。
11.根据权利要求1-7中的任一项所述的顶部驱动装置，其中，主轴(160)用第一连接器装置(168)和第二连接器装置(164)与套筒轴(190)连接，主轴上的张力通过所述第一连接器装置传给主体(130)，转矩通过所述第二连接器装置在套筒轴(190)和主轴(160)之间传送。
12.根据权利要求11所述的顶部驱动装置，其中，第一连接器装置(168)包括从主轴(160)延伸的负载肩，所述负载肩置于套筒轴(190)顶端部上。
13.根据权利要求12所述的顶部驱动装置，其中，第二连接器装置(164)包括至少一个可膨胀的锥形旋入转矩传输衬套。
14.根据权利要求1-7中的任一项所述的顶部驱动装置，还包括两个间隔开的提环(104)，每个提环(104)具有两个间隔开的下端部，而且每个下端部与主体(130)连接，从而为提环(104)提供了提环(104)和主体(130)之间的四点连接以便支承顶部驱动装置。
15.一种用于拆解顶部驱动装置的方法，所述顶部驱动装置包括：主体(130)；具有贯穿其中的流动孔的主轴(160)，所述流动孔用作钻井液的通道；环绕至少部分主轴(160)并与其驱动连接的套筒轴(190)；以及用于使套筒轴(190)旋转的马达装置(120)，齿轮系统(124、142)布置在马达装置(120)和套筒轴(190)之间，用来使套筒轴(190)旋转从而驱动主轴(160)，主轴(160)穿过齿轮系统(124、142)；用于锁定或旋转连接接头(180)的旋转系统，所述连接接头具有贯穿其中的中心孔，所述主轴穿过所述连接接头的中心孔，所述旋转系统包括内啮合齿轮箱(150)、可旋转地安装在内啮合齿轮箱(150)内的内啮合齿轮(152)以及用于驱动内啮合齿轮(152)从而使连接接头(180)旋转的马达(158)，所述顶部驱动装置还包括两端带法兰的短管(174)，所述两端带法兰的短管(174)环绕主轴(160)布置在内啮合齿轮箱(150)和连接接头(180)之间，所述方法包括通过将主轴(160)从套筒轴(190)上拆开并从套筒轴(190)提升主轴(160)从而将主轴(160)从主体(130)上拆卸下来的步骤。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，齿轮系统(124、142)封装在齿轮箱(140)中，齿轮箱(140)包含用于润滑所述齿轮系统(124、142)的润滑剂，所述方法包括从套筒轴提升主轴而不会将润滑剂从齿轮箱(140)释放出或排出的步骤。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，套筒轴(190)形成齿轮箱(140)的部分，以使得主轴(160)的提升不会导致润滑剂从齿轮箱(140)释放出或排出。
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