CN101666208B - 齿轮齿条起升式钻机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油钻机设备技术领域，特别是一种齿轮齿条起升式钻机。包括井架主体、底座、起下装置、钻杆移运装置、卡盘、上卸扣机构、操作台和操控装置。井架主体包括垂直链接于底座上方的井架以及对称设置在井架同一侧的两条齿条和导轨；起下装置包括主体面板、装置在主体面板上的顶部驱动头、设置在顶部驱动头下方的吊卡以及设置在主动面板上的驱动马达和滚轮，其中驱动马达与齿轮联动后与井架上的齿条配合，滚轮与井架上的导轨配合；钻杆移运装置包括内端与底座铰链的起升臂、支撑起升臂升降的起升液缸和设置在起升臂外端部的钻杆抓取机构。本发明简化了钻机的结构，便于安装和移运，维护费用低，寿命长，便于配套自动化装置，应用广泛。

Description

齿轮齿条起升式钻机

一、技术领域：本发明涉及石油钻机设备技术领域，特别是一种齿轮齿条起升式钻机。

二、技术背景：石油钻机是用于石油勘探开发的重要设备。随着石油工业的发展，钻机的类型、技术也在不断的发展。但起升管柱的方式，都是利用由绞车、天车、游动滑车、钢丝绳、大钩等组成的起升系统进行起升。

现有的钻机主要包括井架主体、底座、起下装置、钻杆移运装置、卡盘、上卸扣机构、动力装置、操作台和操控装置。其中：起下装置部分(即在起升或下放管柱时)，通过绞车缠绕钢丝绳，钢丝绳通过天车和游动滑车组成的滑轮组，带动大钩起升或下放管柱。这种起下装置存在着结构复杂、钢丝绳需定期检查和更换、拆装运移复杂、造价高等缺点，特别是这种起升系统只有上提负荷的功能，不具备下压负荷的功能。钻杆移运装置通常是通过小滑车和导轨配合，采用人工从钻杆架搬运的方式，不仅劳动强度大、工作效率低，而且还存在一定的操作危险。

随着钻井技术的不断发展，水平井、定向井打得越来越多。由于现有钻机的起升系统不具备下压负荷的功能，对于一些浅井定向井，限制了钻井工艺的实现。另外，现有钻机的起升系统对于精确自动送钻、钻杆自动排放和移运等自动化操作的实现也有一定的限制，因此研究一种新型的起升系统，解决现有钻机存在的问题非常必要。

三、发明内容：本发明的目的就是针对现有技术所存在的诸多问题，提供一种齿轮齿条起升式钻机，以简化钻机结构，增加下压负荷的功能，提高自动化操作水平。

其技术方案是：包括井架主体、底座、起下装置、钻杆移运装置、卡盘、上卸扣机构、操作台和操控装置。所述的井架主体包括垂直链接于底座上方的井架以及对称设置在井架同一侧的两条齿条和导轨；起下装置包括主体面板、装置在主体面板上的顶部驱动头、设置在顶部驱动头下方的吊卡以及设置在主动面板上的驱动马达和滚轮，其中驱动马达与齿轮联动后与井架上的齿条配合，滚轮与井架上的导轨配合；所述的钻杆移运装置包括内端与底座铰链的起升臂、支撑起升臂升降的起升液缸和设置在起升臂外端部的钻杆抓取机构。

上述方案还包括：所述的起下装置还包括装置在主体面板上的刹车机构，其驱动马达为左右对称分布的两个或四个，与之配套的齿轮也为两个或四个，滚轮为前后对称的两组，前滚轮由上、下滚轮作用在导轨的外侧面，后滚轮由上、下滚轮作用在导轨内；所述的钻杆抓取机构是包括平行固定在起升臂外端部的前、后抓手和驱动抓手的驱动杆，在外端部的升降臂下部设有底部支撑架，该底部支撑架的一侧或两侧通过驱动杆铰链有钩子。所述的上卸扣机构、卡盘、吊卡和起升缸、驱动杆均为液压或气动驱动结构，所述的驱动马达为液压驱动马达、气动马达或电动驱动马达。所述的操作台固定在井架中下部，操控装置安装在台面的外侧边，台面的中间预留有与升降臂配合的长槽口。

本发明的齿轮齿条起升式钻机的优点包括：

1、简化了整个钻机的结构，取消了绞车、钢丝绳、天车、游车。

2、井架、底座结构更加简单轻便，便于安装和移运。

3、齿轮齿条与钢丝绳相比不必进行定期检查和更换，维护费用低，寿命长。

4、由于齿轮与齿条啮合传动实现了管柱起升系统的垂直直线往复运动，因此钻进精度大大提高，并且可以对管柱施加推力，非常有利于钻浅层的斜井或水平井；作为修井机使用时，可进行近地面的套铣作业。

5、便于配套自动化装置，实现操作的自动化，特别是井口作业的自动化。减轻工人的劳动强度，提高了安全性和工作效率。

6、与现有钻机相比，降低了制造和使用成本。

7、可广泛应用于车载钻机、修井机、陆地钻机、海洋钻机。

四、附图说明

图1为齿轮齿条起升式钻机的整体主视结构图。

图2为图1的俯视图。

图3为起下装置部分结构放大图。

图4为钻杆移运装置部分结构放大图。

图5为图4的右视图。

图6为图1中虚线部分局部放大图。

图7为图6的A-A横向截面图。

图8为抓手部分的结构放大图。

图中，1是起下装置，2是吊环，3是吊卡，4是井架，5是导轨，6是齿条，7是上卸扣机构，8是卡盘，9是操控装置(操控室)，10是操作台，11是支梁，12是底座，13是钻杆移送装置，14是液压或气动基站(液压机或气动机)，15是主体面板，16是顶部驱动头，17是马达，18是刹车机构，19是前滚轮19，20是齿轮，21是后滚轮，22是起升液缸(气缸)，23是起升臂，24是下支撑架，25是钩子，26是抓手，27是钻杆，28是液(气)压缸，29是抓手液(气)压缸。

五、具体实施方式：

参见图1和图2，井架4底部竖直固定在底座12上，两个齿条6和导轨分别对称平行的固定在井架4的两侧，起下装置1(连同其吊环2和吊卡3)沿齿条6和导轨5作上下往复运动。支梁11固定在底座12上，其上端安装操作台10。操作控制室9放置在钻台10上远离井架的一侧。液压上卸扣机构7、液压卡盘8放置于钻台上靠进井口的位置。在底座12的一侧设置14是液压驱动机构，另一侧设置钻杆移送装置13。

参见图3、图6和图7，起下装置1包括主体面板15、顶部驱动头16、小马达17、刹车机构18、前滚轮19、齿轮20、后滚轮21和吊环2、吊卡3。刹车机构18安装在上下马达17之间，将它们整体固定于主体面板15上，主体面板15上有通孔，左右对称的四个马达17的轴分别穿过通孔至另一侧，在伸出的轴上安装齿轮20，齿轮20与井架4上的左右齿条6配合。主体面板15的两侧各安装两个前滚轮19与两齿条6的侧面滚动配合。四个左右对称的后滚轮21通过连接板安装在主体面板15的内端面，并与导轨5内侧面形成滚动配合。马达17转动时，就可以驱动齿轮20沿齿条6做往复移动，并且依靠刹车系统14控制齿轮20的转动，从而可以使起下装置1停在井架4上任意高度处。顶部驱动头16固定在主体面板15的中央。同时，起下装置1还在左右两侧各安装一个吊环2，两吊环2下部悬挂一个吊卡3，起下钻杆时通过液压控制吊卡3的自动开合来实现钻杆高位或低位的无人摘挂操作。

参见图4、5和图8，钻杆移送装置包括起升液缸22、起升臂23、下支撑架24、钩子25、抓手26、液压缸28和抓手液压缸29。起升液缸22一端铰接在底座12上，另一端铰接在起升臂23上。起升臂23的内端铰接在底座12上，外端平躺在两个一前一后平行布置的下支撑架24上。抓手通过连杆26一前一后安装在起升臂23上，其内部安装抓手液压缸29来实现张开和关闭动作。钩子25安装于下支撑架24的左右两侧，液压缸28一端铰接在下支撑架24上，另一端连接钩子25，通过伸缩带动钩子25上下摆动，并将地面(或钻杆架)的钻杆27滚至抓手26上。图1中右侧虚线部分表示钻杆移运装置13将钻杆由地面举升到钻台10上时，钻杆位于井口中心线上方。上述顶部驱动头、马达、所有液压缸的动力源全部通过放置于地面上靠近井架4一侧的液压驱动机构14提供，并通过操控室进行操作。

补充说明：井架4设计成网格结构或方箱型立柱结构，用于安装齿条和导轨，并承受垂直方向载荷以及下压或上提管柱时产生的弯曲载荷。导轨是槽型结构，滚轮可以在其内部沿一侧的壁滚动，它分为两部分，对称并垂直的安装在井架的两侧。齿条为普通梯形齿齿条，也分两部分，对称并垂直的安装在井架的两侧，每一侧的齿条与同侧的导轨保持平行且等距，齿条和导轨的长度都大于一根普通钻杆的长度。顶部驱动头是一种既能够驱动管柱旋转又能够循环钻井泥浆的装置，它的动力来自于其内部的液压马达。刹车系统用来控制马达转速，可设计安装在马达下部的动力输出轴上，每个马达均安装一个刹车系统。前滚轮能够在齿条侧面滚动，后滚轮在导轨内侧滚动，他们共同进行整个起下装置的限位和导向，保证了整个起下装置能够垂直上下移动。

上述实施例中主要围绕液压驱动方式进行说明，采用气动驱动方式也是本发明的方式之一，具有同样的效果和作用。例如：吊卡可选用江苏如东石油机械有限公司QD系列的液压(气动)吊卡。卡盘可选用江苏如东石油机械有限公司JSQW系列的气动钻杆卡瓦。液压上卸扣机构可选用江苏如东石油机械有限公司ZQ系列的钻杆动力钳。

工作过程简述：起升臂23处于水平位置，抓手26张开，钩子25上摆将钻杆27滚入抓手26内，抓手26闭合。起升液缸22伸长举升起升臂23，起升90度后钻杆27恰处于井口上方，起下装置1沿齿条6及导轨5从井架4最上部下移，与钻杆27上接头对接后，吊卡3张开，钻杆27处于吊卡3的内部时，吊卡6闭合，同时抓手26张开，起升臂23回到水平位置准备起升下一根钻杆。起下装置1与连接的钻杆27继续下移，钻杆27的下接头与井口的钻杆接头接触并对中后，移动液压上卸扣机构7对钻杆27进行上扣对接。对接完毕后上提一小段，待井口处卡瓦张开后，钻进开始。如需下压时，起下装置1继续下移下放钻杆并为钻杆下压施加动力。钻杆27的从井中起出的过程与上述过程相反。

Claims (4)

1.一种齿轮齿条起升式钻机，包括井架主体、底座、起下装置、钻杆移运装置、卡盘、上卸扣机构、操作台和操控装置，其特征在于：所述的井架主体包括垂直链接于底座上方的井架以及对称设置在井架同一侧的两条齿条和导轨；起下装置包括主体面板、装置在主体面板上的顶部驱动头、设置在顶部驱动头下方的吊卡以及设置在主动面板上的驱动马达和滚轮，其中驱动马达与齿轮联动后与井架上的齿条配合，滚轮与井架上的导轨配合；所述的钻杆移运装置包括内端与底座铰链的起升臂、支撑起升臂升降的起升缸和设置在起升臂外端部的钻杆抓取机构。

2.根据权利要求1所述的齿轮齿条起升式钻机，其特征在于：所述的起下装置还包括装置在主体面板上的刹车机构，其驱动马达为左右对称分布的两个或四个，与之配套的齿轮也为两个或四个，滚轮为前后对称的两组，前滚轮由上、下滚轮作用在导轨的外侧面，后滚轮由上、下滚轮作用在导轨内；所述的钻杆抓取机构是包括平行固定在起升臂外端部的前、后抓手和驱动抓手的驱动杆，在外端部的升降臂下部设有底部支撑架，该底部支撑架的一侧或两侧通过驱动杆铰链有钩子。

3.根据权利要求1或2所述的齿轮齿条起升式钻机，其特征在于：所述的上卸扣机构、卡盘、吊卡和起升缸、驱动杆均为液压或气动驱动结构，所述的驱动马达为液压驱动马达、气动马达或电动驱动马达。

4.根据权利要求3所述的齿轮齿条起升式钻机，其特征在于：所述的操作台固定在井架中下部，操控装置安装在台面的外侧边，台面的中间预留有与升降臂配合的长槽口。

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