CN101529046A - 油田管式扭矩扳手 - Google Patents

Abstract

一种用于测量油田管式扭矩扳手的施加扭矩的方法，该油田扭矩扳手可操作成绕旋转轴线扭转管，并且该油田扭矩扳手包括：下夹钳，其包括凹口，在操作期间该旋转轴线穿过该凹口；上夹钳，其包括凹口，该上夹钳安装在下夹钳上方，上夹钳的凹口定位在下夹钳的凹口上方，从而该旋转轴线穿过上夹钳的凹口；管夹紧板牙，其位于上夹钳和下夹钳的凹口中；旋转轴承，其位于上夹钳与下夹钳之间，允许上夹钳和下夹钳彼此相对旋转，同时凹口利用穿过该凹口的旋转轴线保持定位；驱动系统，其连接在上夹钳与下夹钳之间，该驱动系统可操作成产生力向量以驱动上夹钳和下夹钳在旋转轴承上旋转，该方法包括：确定(i)垂直于力向量并在力向量与管的旋转轴线之间测量的实际半径测量值，和(ii)被施加以扭转连接的此力的实际力测量值中的至少一个；以及基于所述至少一个测量值来计算扭矩。一种扭矩扳手包括用于测量实际半径和/或实际力的系统。

Description

油田管式扭矩扳手

技术领域

本发明总体涉及油田管式扭矩扳手，油田管式扭矩扳手有时称为动力夹钳或铁钻工。这些装置用于处理井筒管，诸如钻管、扶正器和钻头的组装或分开。

背景技术

在油田钻探和管运行操作中当组装或分开钻管接头、钻铤、套管等时，已采用各种类型的扭矩扳手。通常，有时称为动力夹钳或铁钻工的扭矩扳手包括上夹钳和下夹钳，在上夹钳和下夹钳以旋转或剪切方式移动的情况下，所述上夹钳和下夹钳依序夹紧和释放上钻管和下钻管，从而拧上或松脱钻管接头之间的螺纹连接。为此已提供了动力操作的夹钳。

在一些扭矩扳手中，上夹钳和下夹钳通过扭转气缸而彼此相对旋转，该扭转气缸能伸出或缩回以可根据需要地分开或组装钻管。每个夹钳上的管咬入或夹紧系统使用包括管夹紧板牙的可移动板牙头。板牙头可通过各种装置移动，所述装置例如包括伸出以移动板牙头与管形成夹紧或咬入接合的液压油缸。

发明内容

根据本发明的广义方面，提供一种油田管式扭矩扳手，该扭矩扳手包括：下夹钳，其包括凹口，用于接收沿穿过该凹口的轴线定位的油田管；上夹钳，其包括凹口，该上夹钳安装在下夹钳上方，上夹钳的凹口定位在下夹钳的凹口上方，从而该轴线穿过上夹钳的凹口；管夹紧板牙，其位于上夹钳和下夹钳的凹口中，所述管夹紧板牙可在伸出位置与缩回位置之间驱动；旋转轴承，其位于上夹钳与下夹钳之间，允许上夹钳和下夹钳彼此相对旋转，同时凹口利用穿过该凹口的轴线保持定位；驱动系统，其连接在上夹钳与下夹钳之间，该驱动系统可操作成产生力向量以驱动上夹钳和下夹钳在旋转轴承上旋转；以及(i)用于测量垂直于力向量并在力向量与轴线之间测量的实际半径的系统，和(ii)用于测量由该驱动系统产生的实际力向量的系统中的至少一个。

根据本发明的另一广义方面，提供一种用于测量油田管式扭矩扳手的所施加扭矩的方法，该油田扭矩扳手可操作成绕旋转轴线扭转管，并且该油田扭矩扳手包括：下夹钳，其包括凹口，在操作期间该旋转轴线穿过该凹口；上夹钳，其包括凹口，该上夹钳安装在下夹钳上方，上夹钳的凹口定位在下夹钳的凹口上方，从而该旋转轴线穿过上夹钳的凹口；管夹紧板牙，其位于上夹钳和下夹钳的凹口中；旋转轴承，其位于上夹钳与下夹钳之间，允许上夹钳和下夹钳彼此相对旋转，同时凹口利用穿过该凹口的旋转轴线保持定位；驱动系统，其连接在上夹钳与下夹钳之间，该驱动系统可操作成产生力向量以驱动上夹钳和下夹钳在旋转轴承上旋转，该方法包括：确定(i)垂直于力向量并在力向量与管的旋转轴线之间测量的实际半径测量值，和(ii)被施加以扭转连接的此力的实际力测量值中的至少一个；以及基于所述至少一个测量值来计算扭矩。

将要理解的是根据下面的详细描述，本发明的其它方面对于本领域中的技术人员将是显而易见的，其中本发明的各种实施例作为示例显示和描述。如将认识到的，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本发明能用于其它和不同的实施例，并且本发明的若干细节能在各其它方面进行修改。因此，附图和详细描述在本质上应被认为是示例性的而不是限定性的。

附图说明

参照附图，其中在所有这些视图中，相同的附图标记指示相似的部件，在附图中对本发明的几个方面作为示例而不是作为限制进行了详细地图示，其中：

图1A和图1B分别是安装在安装结构上的扭矩扳手的透视图和顶视图。

图2A和图2B是根据本发明的一个实施例的扭矩扳手的透视图，其中图2A显示了处于中性位置中的扭矩扳手夹钳，而图2B显示了处于连接拧上(组装)开始位置中的扭矩扳手夹钳。

图3A和图3B是可在本发明中使用的线性驱动系统的示意图，其中图3A显示了处于中性位置中的扭矩扳手夹钳，而图3B显示了处于拧上(torque up)开始位置中的扭矩扳手夹钳。

具体实施方式

下文结合附图阐述的详细描述意欲作为本发明的各种实施例的描述，而不意欲仅表示由发明人所预期的实施例。为了提供对本发明的全面理解，该详细描述包括具体细节。然而，对于本领域中的技术人员将明显的是本发明可在没有这些具体细节的情况下实施。

本发明总体涉及在组装或分开油田管中使用的钻管扭矩扳手夹钳并且包括用于夹紧待处理管的板牙。

为便于理解钻管扭矩扳手，注意到这样的装置经常包括液压或气动动力的上夹钳和下夹钳，所述上夹钳和下夹钳旋转连接用于剪切动作。夹钳的每一个包括用于咬入或夹紧待处理的管的板牙。

现在具体参照附图的图1A到图2B，本发明的动力致动的钻管扭矩扳手的一个实施例总体由附图标记10表示并与钻机平台12、支承构件结合示出，在此实施例中，该支承构件包括臂16，臂16包括用于扳手的横向延伸的支承构件18。扳手与总体由附图标记20表示的旋转器关联，该旋转器20位于扳手上方，用于使管旋转。尽管下文使用液压传动的动力气缸以及与之相应的液压回路对本发明进行描述，但是本领域中的技术人员将容易认识和理解的是可替代地，本发明的动力气缸中的任一或所有气缸能是气动的，并且传统的气动回路可与其一起使用。可替代地，可使用螺杆驱动或其它驱动器。

夹钳10包括上夹钳22和下夹钳24，上夹钳22和下夹钳24的每一个可基本相同并各自包括水平布置的本体26，该本体26在其边缘处具有凹口28以接收待处理的油田管，所述油田管从而包括例如钻管的接头、钻铤、套管、井筒衬垫、钻头等。

在操作中，上夹钳22可作用于上管30，而下夹钳24可作用于下管31。管30、31以虚线显示以便于图示。在上夹钳22夹紧上管而下夹钳夹紧下管的情况下，夹钳22、24可彼此相对旋转，这经常包括保持夹钳中的一个固定，而另一夹钳相对其旋转，以拧上或分开管之间的螺纹连接。凹口28形成为使得管30、31大体沿轴线x延伸通过凹口，并且在夹钳的旋转期间，凹口保持一个在另一个之上地定位。

每个夹钳包括多个通过本体26支承在凹口28中的管夹紧板牙34。管夹紧板牙包括安装在其上的管夹紧齿。在图示的实施例中，板牙34安装在板牙头38上，所述板牙头38可如通过液压传动装置39、气动装置、螺杆驱动等朝着和远离轴线x移动。这样，板牙34可根据需要伸入凹口28中的夹紧位置中或从夹紧位置中缩回。在图示的实施例中，板牙头定位在凹口28中以基本彼此直径相对地作用，用于夹紧其间的管。

每个板牙头38可具有成角度的或弯曲的表面，板牙头38的板牙34以间隔开的关系安装在该表面上，从而板牙沿弓形路径布置以大体沿着待夹紧的管30的外表面，当然该外表面也大体是弓形的。间隔的成角度定位可以使板牙34能将间隔的点接合在管的圆周上。

上夹钳22可相对于下夹钳24旋转，以将夹钳从图1和图2A中所示的中性位置移动到组装扭转位置或分开扭转位置中的一个。组装扭转开始位置在图2B中示出。要允许旋转动作，可将可缩回和伸出的线性驱动系统枢转地连接在上夹钳与下夹钳之间。在图示的实施例中，该线性驱动系统包括与夹钳本体26的远离板牙头38的一端相邻地设置的双动液压活塞和气缸组件96。气缸组件96在其第一端处通过枢销97a和轴承组件连接到下夹钳24而在其相对端处通过枢销97b和轴承组件连接到上夹钳22。气缸组件96互连上夹钳22和下夹钳24，从而通过以与板牙头的伸出和缩回同步的关系伸出和缩回扭转活塞和气缸组件96，上管30和下管31可以以组装或分开其间的螺纹连接的方式被夹紧和扭转。

活塞和气缸组件96的伸出和缩回将导致上夹钳22和下夹钳24朝着和远离图2B中所示的扭转位置移动并进入或通过图2A中所示的中性位置。也就是说，在上夹钳22或者与下夹钳24对齐或者上夹钳22相对于下夹钳24移动到作为图2B中所示的扭转位置的成角度位置的情况下，夹钳22和24以旋转方式移动并在利用板牙夹紧上管和下管之后，管可彼此相对旋转。

上夹钳22和下夹钳24可通过旋转轴承旋转互连。在一个实施例中，例如旋转轴承包括轴承环组件116。轴承环组件116可以包括在凹口28的外部隔开的第一部分环118和第二部分环126，从而对管通过夹钳的移动将不存在影响。在此图示的实施例中，第一部分环118固定到上夹钳的本体26，而第二部分环126固定到下夹钳24。环118和126形成为在其连接面处互锁以提供如下旋转轴承，即上夹钳和下夹钳能在该旋转轴承上相对彼此枢转。环之间的连接面承受夹钳之间的力并旋转地定向上夹钳22和下夹钳24，从而上夹钳22和下夹钳24在其相对枢转运动期间将绕轴线x枢转。

当夹钳与待处理的油田管30、31适当地对齐时，油田管30、31之间的螺纹连接设置在上夹钳22的板牙34与下夹钳24的板牙34之间，并且管大体沿轴线x延伸。在此位置中，可致动下夹钳24的板牙头38以在其间夹紧下管31。然后，取决于是组装还是分开该螺纹连接，扭矩活塞和气缸组件96伸出或缩回。在扭矩气缸的伸出或缩回期间，上夹钳22上的板牙头38将处于其缩回位置，从而上夹钳22能相对于上管40旋转。因而，在上夹钳22被释放以及扭矩活塞和气缸组件96取决于是组装还是分开钻管而或伸出或缩回到初始位置的情况下，上夹钳22此时可通过移出板牙头以将承载在其上的板牙置于与管夹紧的关系中来与上管30形成夹紧接合。在此发生之后，上管30和下管31通过各自的夹钳牢固地夹紧。然后，可致动活塞和气缸组件96，用于使上夹钳22和下夹钳24彼此相对枢转或旋转地移动，从而取决于是组装还是分开管之间的螺纹连接来以顺时针的方式或逆时针的方式扭转钻管接头30和31。

当处理油田管时，可能期望确定在组装或分开期间所施加的扭矩。尽管在一些情形中粗略的扭矩计算是可以接受的，但是在其它情形中确定实际施加的扭矩可能是必须的或所期望的。在上文所述类型的扭矩扳手中，通过上夹钳与下夹钳之间的线性驱动机构的作用来施加扭矩。将扭矩计算为力向量乘以半径的乘积，该半径是从所施加的力的点到产生的旋转轴线的距离。这样，在一个实施例中并且参照图3A和图3B，由该扭矩扳手施加的扭矩可通过首先确定如下中的一个或两个来计算：(i)垂直于力向量并在产生力的线性驱动机构的驱动轴线F与轴线x之间测量的实际半径，该力向量在图示的实施例中为线性驱动机构的驱动轴线F，该轴线x是管的旋转中心，或者(ii)考虑到动态操作条件，所施加的用于扭转连接的实际力，在图示的实施例中，所述力可例如通过线性驱动机构产生。可在扭矩扳手的操作期间的一个或多个选定时间进行此测量。在一个实施例中，扭矩扳手监控/控制系统可在操作期间针对实际半径或实际力中的任一个或两个重复采样，从而此测量值可用于确定扭矩。如果此进行中的测量引人关注，则重复采样可处于秒级或者可能地毫秒级抑或可以更频繁。监控/控制系统可接受和处理扭矩扳手上的测量和控制操作。

在图示的实施例中，线性驱动机构显示为通过枢轴连接件197a连接到下夹钳124以及通过枢轴连接件197b连接到上夹钳的气缸196。为了确定从力向量、驱动轴线F到轴线x的实际半径垂线，可对如下事实进行考虑：该半径随着气缸运行伸出和缩回的一个冲程而变化。例如在图示的实施例中，在图3B的连接组装开始位置中驱动轴线F与轴线x之间的半径R1小于当上夹钳和下夹钳处于图3A中所示的中性位置时驱动轴线F与轴线x之间的半径R2。各种装置和过程可用于确定驱动轴线F与轴线x之间的实际半径，这可包括如通过得知井中心的位置而进行的半径的实际测量以及用于确定力向量位置的传感器。可替代地，实际半径可通过其它扳手参数取得。例如，注意到驱动轴线F与轴线x之间的半径随气缸的冲程长度改变。具体地，当气缸杆196a相对于气缸的活塞外壳196b伸出或缩回时，气缸分别绕其对于上夹钳和下夹钳的枢轴座197a、197b枢转，而这导致气缸驱动轴线相对于轴线x移动。因而，随着气缸运行一个冲程，从气缸轴线F到管的中心、轴线x的距离也变化。如果期望确定实际半径，则可能期望确定操作期间与扭矩扳手气缸196的各种或所有冲程位置有关的半径测量值。此后，可对气缸的长度进行监控，从而确定实际半径。在操作期间，可利用各种冲程长度测量装置198，诸如例如允许实时测量的装置，如利用气缸用线性换能器、磁致伸缩传感器、可变磁阻或激光器或声波测量装置中的任一个在一次的基础上或在持续进行的基础上确定气缸的冲程长度。一旦已经针对扭矩扳手构造/几何形状进行了关联的冲程长度和半径测量，则它们在操作期间不应变化。因而，此测量值可存储在自动化系统中，用于在扭矩测量中使用。在一个实施例中，例如，能制定将冲程长度与实际半径相关联的方程。在任意特定的时间或基本连续地，当扭矩确定令人关注时，可确定驱动的实际长度并将其与力一起用来计算扭矩。

可基于如下的考虑来确定真实的力：例如把包括例如背压阻力等的扭矩操作的动态参数计算在内。当考虑到由线性驱动机构施加的实际力的确定时，可将各种力确定系统199与气缸196一起使用。在一个实施例中，包括至少一个压力换能器并且将液压系统中的背压和压降中的一个或多个计算在内的力确定系统可用于在持续进行的基础上测量力。在一个实施例中，例如，可使用这样的系统，该系统测量活塞上的压差从而测量所施加的力，并且该系统可包括例如靠近气缸安装且与通向杆侧腔的液压管线处于压力传感连通的压力换能器200a和位于通向活塞面侧腔的液压管线上的压力换能器200b。在另一实施例中，可采用例如包括应变仪197c的系统来测量气缸上的应变，应变仪197c安装在枢轴连接件197a或197b上，该系统可例如在变形的基础上来测量力。在又一实施例中，可使用测压仪式压力换能器，气缸设置为抵靠该压力换能器作用。在扭转操作期间可根据需要实时连续地或在一个或多个选定时间来测量力，并且此力的测量值可用于计算扭矩。

基于(i)实际半径和(ii)实际力中的一个或两个的扭矩计算可增强连接组装和分开操作并且在运行数据的记录和系统监控中是有益的。当然为了精度，可能有益的是以实际半径和实际力为基础在扭转操作期间的任意特定时间计算扭矩。

由于相对于由扭矩扳手向正被扭转的管连接施加的扭矩的量而言，实际扭矩通常令人关注，所以，可能令人关注的是计算操作扭矩扳手所需的基本扭矩(background torque)，例如驱动上夹钳和下夹钳以使其例如通过轴承环组件116相对彼此旋转所需的扭矩。如果对轴承环组件116中的摩擦进行测量，则可将此摩擦产生的扭矩需求从最终的扭矩计算中去除。可替代地或此外，可能期望为轴承环组件选择低摩擦配置以便尽可能多地减少驱动上夹钳相对于下夹钳的旋转所需的扭矩。

提供所公开实施例的先前描述以使本领域中的任何技术人员能够作出或使用本发明。对于本领域中的技术人员而言，对这些实施例作出各种更改将是显而易见的，并且在不偏离本发明的精神或范围的情况下，此处限定的一般原理可应用于其它实施例。因而，本发明无意限制于此处所示的实施例，而是要给予与权利要求一致的全部范围，其中对单数形式的元件的参照，诸如冠词“一”或“一种”的使用并非用来意指“一个和仅仅一个”，除非明确如此陈述，而是指“一个或多个”。为本领域中的普通技术人员所公知或以后将要公知的与贯穿该公开所描述的各种实施例的元件等同的所有结构和功能等同物意欲被权利要求的元件所包括。此外，此处所公开的内容均无意贡献给公众，无论此公开是否在权利要求中进行明确叙述。权利要求的元件不应在35USC 112、第六段的条款下解释，除非使用短语“用于…的方法”或“用于…的步骤”对该元件进行了确切的叙述。

Claims (16)

1.一种油田管式扭矩扳手，包括：下夹钳，该下夹钳包括凹口，用于接收沿穿过所述凹口的轴线定位的油田管；上夹钳，该上夹钳包括凹口，所述上夹钳安装在所述下夹钳上方，其中所述上夹钳的所述凹口定位在所述下夹钳的所述凹口上方，从而所述轴线从中穿过；管夹紧板牙，该管夹紧板牙位于所述上夹钳和所述下夹钳的所述凹口中，所述管夹紧板牙可在伸出位置与缩回位置之间驱动；旋转轴承，该旋转轴承位于所述上夹钳与所述下夹钳之间，允许所述上夹钳和所述下夹钳彼此相对旋转，同时所述凹口利用穿过所述凹口的所述轴线保持定位；驱动系统，该驱动系统连接在所述上夹钳与所述下夹钳之间，所述驱动系统可操作成产生力向量，以驱动所述上夹钳和所述下夹钳在所述旋转轴承上旋转；以及下面(i)和(ii)中的至少一个：(i)用于测量垂直于所述力向量并在所述力向量与所述轴线之间测量的实际半径的系统，以及(ii)用于测量由所述驱动系统产生的实际力向量的系统。

2.根据权利要求1所述的油田管式扭矩扳手，其中所述驱动系统是线性驱动系统，并且用于测量实际半径的所述系统包括线性驱动长度测量装置，所述线性驱动长度测量装置可操作成在所述扭矩扳手的操作期间测量所述上夹钳与所述下夹钳之间的驱动长度。

3.根据权利要求1所述的油田管式扭矩扳手，其中所述驱动系统是液压驱动系统，所述液压驱动系统包括具有活塞的液压缸，并且用于测量实际力的所述系统把所述液压驱动系统的背压计算在内。

4.根据权利要求1所述的油田管式扭矩扳手，其中所述驱动系统是液压驱动系统，所述液压驱动系统包括具有活塞的液压缸，并且用于测量实际力的所述系统把操作期间所述液压驱动系统的压降计算在内。

5.根据权利要求1所述的油田管式扭矩扳手，其中所述驱动系统是线性驱动系统，所述线性驱动系统包括具有活塞的液压缸，并且用于测量实际力的所述系统包括用于测量所述活塞上的液压差的系统。

6.根据权利要求1所述的油田管式扭矩扳手，其中用于测量实际力的所述系统包括与所述驱动系统通信的应变仪。

7.根据权利要求1所述的油田管式扭矩扳手，该油田管式扭矩扳手既包括用于测量实际半径的系统，又包括用于测量实际扭矩的系统。

8.一种用于测量油田管式扭矩扳手的施加扭矩的方法，油田扭矩扳手可操作成绕旋转轴线扭转管，并且所述油田扭矩扳手包括：下夹钳，该下夹钳包括凹口，在操作期间所述旋转轴线穿过所述凹口；上夹钳，该上夹钳包括凹口，所述上夹钳安装在所述下夹钳上方，其中所述上夹钳的所述凹口定位在所述下夹钳的所述凹口上方，从而所述旋转轴线从中穿过；管夹紧板牙，该管夹紧板牙位于所述上夹钳和所述下夹钳的所述凹口中；旋转轴承，该旋转轴承位于所述上夹钳与所述下夹钳之间，允许所述上夹钳和所述下夹钳彼此相对旋转，同时所述凹口利用穿过所述凹口的所述旋转轴线保持定位；驱动系统，该驱动系统连接在所述上夹钳与所述下夹钳之间，所述驱动系统可操作成产生力向量，以驱动所述上夹钳和所述下夹钳在所述旋转轴承上旋转，所述方法包括：确定下面(i)和(ii)中的至少一个：(i)垂直于所述力向量并在所述力向量与所述管的所述旋转轴线之间测量的实际半径测量值，和(ii)被施加以扭转连接的所述力的实际力测量值；以及基于至少一个测量值来计算扭矩。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述实际半径测量值通过如下测量：获取使线性驱动长度与半径测量值相关联的数据；测量在所述扭矩扳手操作期间的实际线性驱动长度；使用所述实际线性驱动长度来从所述数据推断实际半径测量值；并且其中计算施加的扭矩的步骤基于所述半径测量值。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述驱动系统是液压驱动系统，所述液压驱动系统包括具有活塞的液压缸，并且测量实际力的步骤把所述液压驱动系统的背压计算在内。

11.根据权利要求8所述的方法，其中所述驱动系统是液压驱动系统，所述液压驱动系统包括具有活塞的液压缸，并且测量实际力的步骤把操作期间所述液压驱动系统的压降计算在内。

12.根据权利要求8所述的方法，其中所述驱动系统是线性驱动系统，所述线性驱动系统包括具有活塞的液压缸，并且测量实际力的步骤包括测量所述活塞上的液压差。

13.根据权利要求8所述的方法，其中测量实际力的步骤监控与所述驱动系统通信的应变仪。

14.根据权利要求8所述的方法，包括确定所述实际半径和所述实际扭矩。

15.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：确定所述旋转轴承的摩擦产生的扭矩需求，并将所述摩擦产生的扭矩需求从所计算的扭矩中去除。

16.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：基于所计算的扭矩来控制所述扭矩扳手的操作。

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