CN101790619B - 夹紧和断开装置 - Google Patents

Abstract

用于夹紧和断开带螺纹的管状部件的系统，包括被设置成抓紧带螺纹的管状部件的夹紧装置。该夹紧装置又包括壳体和与该壳体相联的基座。可以提供断开装置，用以抓紧和旋转带螺纹的管状部件，该断开装置又包括壳体和与该壳体相联的基座，其中，将所述夹紧装置的基座和所述断开装置的基座设置成独立地安装在至少一个支撑结构上。

Description

夹紧和断开装置

技术领域

本发明涉及用于操作带螺纹的管状部件的设备，以及涉及夹紧带螺纹的管状部件和断开带螺纹的管状部件之间的接头。 

背景技术

钻探过程(特别是在地层中的钻探过程)通常涉及将多个钻杆抬升到位，然后将这些钻杆连接在一起。被连接的钻杆形成钻柱，钻柱的尖端通常为钻头尖。相邻的钻杆之间的连接通常被称为接头。当一个具有阳螺纹的钻杆被旋入与另一个钻杆的阴螺纹啮合时，常常在所述钻杆之间形成接头。通常使用夹紧和断开装置将钻杆之间的接头紧固至最大转矩。在钻探过程中，钻机施加轴向的力并旋转钻柱，这往往导致这些接头变得很紧，可能需要极大的力来断开接头及分离钻杆。 

当从钻孔(在钻探期间产生的孔)中取出钻柱时，可能需要通过将钻柱起出钻孔而取出整柱的钻杆。在这完成时，通常通过旋开相邻钻杆的阳螺纹端和阴螺纹端来断开所述杆的每个接头(目前可能非常紧)。在一些情况下，多个钻杆(通常为约5、10或20英尺)可被连接形成延伸很长距离的柱。这样，单个钻柱可能有几百个接头需要被断开和分离。钻杆通常被紧固至比由钻头所施加的转矩更高的转矩。相应地，接头中可能有类似的高转矩。 

传统上，使用若干方法和相应的装置来断开相邻钻杆的带螺纹端之间的连接。所提出的这些方法和装置中的大多数典型地使用一些形式的带动力的扳钳或类似的工具，以提供断开钻杆之间的螺纹连接所必需的转矩。典型地，通过用一个夹爪保持一个钻杆不动，同时使用另一个夹爪在合适的方向上旋转另一个钻杆来旋接(或旋开)两个钻杆。 

尽管这样的配置能够满足断开接头，不时还会出现困难。例如，许多工具 仅提供固定的或小范围的抓紧直径，使得当从一个直径变成另一个直径时，必需更换夹爪或整个装置。此外，一些工具提供夹爪组之间的固定的轴向距离，使得不能适应更长或更短的螺纹连接。此外，许多工具不能提供钳模具上的接触表面与钻杆之间的足够的摩擦接触，致使钻杆在旋接或旋开时滑动，导致低效率及安全隐患。在钳模具随着时间的推移而磨损时，该问题可能变得更加严重。而滑动自身甚至也能导致钳模具上的磨损。另外，许多现有工具被制造成具有必须经常更换的钳模具，导致在更换钳模具而停止钻探操作时的低效率。 

在更换钳模具时可能出现另一个潜在的困难。例如，在许多系统中，只有在从钻孔中取出整个钻柱后才能更换钳模具。否则没有足够的空间用以更换钳模具。这导致的风险是，整个钻柱可能滑出夹爪并掉回到钻孔中。 

本文中所要求保护的主题并不限于解决任何缺点的或仅在诸如上述那些环境中操作的实施例。相反地，该背景技术仅被提供用以说明一个示例性的技术领域，本文中所述的一些实施例可以在该技术领域内实施。 

发明内容

在至少一个示例中，一种夹爪组件包括具有第一端和第二端的夹爪主体以及限定在夹爪主体中的至少一个插袋。所述插袋包括相对于在第一端和第二端之间的平面成弓形的侧面以及与第二端连通的开口。形成的肩在夹爪主体的第一端上。夹爪主体与该开口连通。夹爪组件还包括具有至少部分弓形形状的、与插袋互补的至少一个插件，其中，插件被设置成在插袋内旋转，并且其中，肩被设置成使插件相对于第二端保持在插袋内。 

还能够提供一种用于夹紧和断开带螺纹的管状部件的系统，该系统包括被设置成抓紧带螺纹的管状部件的夹紧装置。该夹紧装置又包括壳体和与该壳体相联的基座。可以提供断开装置以抓紧和旋转带螺纹的管状部件，该断开装置又包括壳体和与该壳体相联的基座，其中，夹紧装置的基座和断开装置的基座被设置成独立地安装在至少一个支撑结构上。 

发明内容以简化的形式介绍各种概念，这些概念还将在下面具体实施方式 的详细描述中描述。该发明内容并非旨在确定所要求保护的主题的主要特征或本质特征，也并非旨在用于确定所要求保护的主题的范围。 

附图说明

为进一步阐明本发明的上述的和其他的优点及特征，将参考在附图中示出的特定实施例提供针对本发明的更详细的描述。应理解，这些附图仅描绘本发明的典型实施例，因此不应被理解为限定本发明的范围。通过使用附图以附加的特征和细节描述和解释本发明，附图中： 

图1A示出包括根据一个示例的夹紧和断开系统的钻探系统； 

图1B示出根据一个示例的夹紧和断开系统的分立的立体图； 

图2A示出根据一个示例的夹紧装置的分解图； 

图2B示出根据一个示例的装配好的夹紧装置的俯视图； 

图3A示出根据一个示例的断开装置的分解图； 

图3B示出根据一个示例的断开装置的俯视图； 

图4A示出根据一个示例的夹爪组件的立体图； 

图4B示出根据一个示例的夹爪组件的俯视图，在该夹爪组件中，盖板被移除； 

图4C示出根据一个示例的夹爪组件的俯视图； 

图5示出根据一个示例的夹爪组件；以及 

图6示出根据一个示例的夹爪组件。 

结合以下描述，附图说明了示例装置和方法的非限定性特征。为了清楚起见，附图中可能放大了部件的厚度和构形。不同的附图中的相同的标号代表相似(但不一定完全相同)的元件。 

具体实施方式

以下描述提供具体细节，以便能被彻底地理解。然而，技术人员应当理解，在不采用这些具体细节的情况下也可以实现及使用该装置以及相关的组装和使用的方法。当然，可以通过修改所述装置和相关的方法来将该装置和相关的使用方法付诸实践，并且可以结合工业上传统使用的任何装置、系统、部件和/或技术来使用该装置和相关的方法。例如，虽然以下描述集中在将本方案与通常被用在地基和勘探钻探中的钻机一起使用，但是本方案也适于与用在石油或天然气工业中的钻机一起使用，或适于任何其他应用，在这些应用中，带螺纹的管状部件间的接头被断开。 

用于组装和拆开管状部件的装置包括一组夹爪，所述夹爪用于抓紧或夹紧两个邻接的钻杆的端部，然后相对于一个钻杆旋转另一个钻杆。在下述实施例中，该组夹爪包括两个夹爪，一个夹爪置于两个邻接的钻杆的一个钻杆上，另一个夹爪置于另一个钻杆上。然而，在其他实施例中，可包括附加的夹爪。例如，可以有一个夹爪，用于抓紧第一钻杆；以及有多个夹爪，用于抓紧另一个钻杆，或反之亦然。在另一示例中，对于每个钻杆可有多个夹爪。 

为了松开两个带螺纹的钻杆，将螺纹连接的接头定位在包括固定夹爪的夹紧装置与包括可旋转的夹爪的断开装置之间。固定夹爪夹紧较低的钻杆，该钻杆仍能部分地保持在地表以里。可旋转的夹爪夹紧较高的钻杆，即在地表以上并通常在钻机的钻桅上的钻杆。随后，可旋转的夹爪充分旋转较高的钻杆，以断开螺纹连接。 

图1A示出根据一个示例的钻探系统10，钻探系统10包括夹紧和断开系统100。夹紧和断开系统100通常包括夹紧装置200和断开装置300。在所示的示例中，钻探系统10包括钻机105。桅杆110可以与钻机105耦接。桅杆110被设置成支撑钻头120。具体地，当钻头120在桅杆110的上端110A和下端110B之间转移时，桅杆110支撑钻头120。尽管在特定方位上示出桅杆110，但应当理解，桅杆110可被定向到任何所期望的角度。 

钻头120在作业中与钻柱130联结，钻柱130可以包括多个钻杆140。钻头120包括配合特征，该配合特征被设置成与钻杆140的头或上端140A上相应的配合特征啮合。在至少一个示例中，钻头120包括阳性特征，诸如阳螺纹，而钻杆140的头端140A包括阴性特征，诸如阴螺纹。从而，钻杆140上的阴性特 征可被旋转以与钻头120上的阳性特征啮合。 

此外，钻杆140的钻头尖端140B可包括阳性特征，诸如阳螺纹，钻杆140可以类似地与附加的钻杆耦接，以形成钻柱130。邻接的钻杆间的接合处可被称为接头145。虽然所述的上端(头端)具有阴性特征，诸如阴螺纹，而下端(钻头尖端)具有阳性特征，例如阳螺纹，但是个别的钻杆也可以以任何方式与其他钻杆配对。 

钻头尖150在作业中与钻柱130的下端联结。钻头120向钻柱130施力，所述力被至少部分地传递给钻头尖150，因而致使钻头尖150前进穿过地基160。施加到钻柱130上的力可以包括但不限于旋转的力、轴向的力、敲击的力和/或振动的力及这些力的任意组合。 

为便于参考，在下面的描述中，假设将钻头设置成向钻柱130并进而向钻头尖150施加旋转的轴向力。在至少一个示例中，旋转力可被描述成在第一方向上旋转，第一方向可以是顺时针方向。为便于参考，也将描述第二方向，第二方向可以是逆时针方向。这些指定的方向是任意的，并且可以以所期望的方式旋转装置。 

如前所述，钻探系统10包括用于相对于桅杆110转移钻头120的机构和/或装置。该转移包括在钻头尖150刺穿地基160时推进钻头120。在钻探操作期间，夹紧装置200和断开装置300都可以从钻柱130处脱离，以允许钻柱130自由移动。可以使用夹紧装置200夹紧钻杆140’，以允许断开装置300旋转钻杆140，从而断开接头145。 

夹紧装置200可被定位在任何期望的位置上，诸如桅杆110的下端110B附近。断开装置300可独立于夹紧装置200而被定位。在至少一个示例中，断开装置300可以被固定在桅杆110的多个不同位置上，以在夹紧装置200与断开装置300之间提供所期望的间隔。 

图1B示出夹紧和断开系统100的立体图。如图所示，夹紧和断开系统100可以被固定在桅杆110上(图1A)。如图1B中所示，夹紧装置200和断开装置300可以被分立地和/或独立地移动和/或安装。从而，夹紧装置200和断开装置 300能够以各自所期望的方式被定位，从而能在两者之间提供所期望的间隔量。此外，除了桅杆，夹紧装置200和断开装置300能够耦接到一个或多个其他的支撑结构。所述支撑结构也可包括任何已知的钻机的一部分，如桅杆110(图1A)。当然，可以使用其他的固定位置诸如挖掘机附件或甚至分立的支撑结构，如在长的定向钻探情况下，使用钻孔的管侧。下面讨论示例性的夹紧装置200，然后讨论示例性的断开装置300。 

图2A示出根据一个示例的夹紧装置200的分解图。如图2A所示，夹紧装置200包括具有顶部205A和底部205B的壳体205。顶部205A和底部205B被基座210和许多附加的外围支撑物间隔开。除了维持顶部205A和底部205B相互间隔开，基座210还能够允许将夹紧装置200固定在支撑结构的所期望的位置上，从而提供稳定的平台，夹紧装置200可以基于该平台工作。 

在至少一个示例中，顶部205A和底部205B可以具有大体类似的构造。在其他的示例中，顶部205A和底部205B可以具有不同的构造。为便于参考，将论述顶部205A和底部205B具有大体类似的构造的示例。因此，对顶部205A的论述可适用于底部205B。 

壳体205被设置成支撑夹紧装置200的一个或多个部件，包括一个或多个线性致动器，诸如夹紧气缸215、215’，夹紧气缸215、215’被设置成定位一个或多个夹爪组件400、400’。特别地，如图2B所示，顶部205A通常包括相对的臂225A、225A’。开口230被限定在壳体205的中间部分的附近，并且穿过顶部205A。开口230的尺寸能够被设定为允许钻杆或不同直径的其他伸长的螺纹部件穿过夹紧装置200。 

如图2A和图2B所示，通过外插销235、235’将夹紧气缸215、215’固定到壳体205上。具体地，外插销235、235’可以穿过顶部205A、穿过夹紧气缸215、215’、并至少部分地穿过底部205B。外插销235、235’能够以任何合适的方式固定就位，诸如通过螺帽、通过与一个或多个顶部205A或底部205B螺纹啮合、通过锁/卡环、通过这些方式的组合或以任何其他的方式。此外，可以使用多个紧固件来固定本文所述的多个部件。为清楚地描述夹紧和断开系统100(图1A 至图1B)的操作，省略了一些这样的紧固件。 

夹紧气缸215、215’能够在其伸出和缩回时以任意方式将力传递给夹爪组件400、400’。具体地，可以在顶臂225A、225A’与底臂225B、225B’之间限定通道，通道的尺寸被确定为在通过伸出和缩回夹紧气缸215、215’而移动夹爪组件400、400’时接收并引导夹爪组件400、400’。在示出的示例中，夹紧气缸215、215’的伸出和缩回将夹爪组件400、400’移入或移出开口230。在至少一个示例中，夹紧气缸215、215’能够在其伸出时将力直接施加到夹爪组件400、400’上。此外，内插销240、240’能够将夹紧气缸215、215’固定到夹爪组件400、400’上，使得当夹紧气缸215、215’缩回时，夹紧气缸215、215’相对于壳体205移动夹爪组件400、400’。夹紧装置200还可包括保持结构(retention structure)，诸如保持带242，保持结构被设置成将带螺纹的管状部件保持在开口230内。在所示的示例中，保持带242能够以可移除的方式通过插销244耦接到壳体205。 

朝向开口230移动夹爪组件400、400’和将夹爪组件400、400’从开口230移开能够允许夹爪组件400与钻杆或不同直径的其他的伸长的带螺纹部件啮合，以及允许向钻杆施加足够的力，从而夹紧钻杆。夹紧钻杆可以包括施加足够的力，从而减小或消除钻杆相对于夹爪组件400、400’的旋转。在至少一个示例中，夹爪组件400、400’可以是大体类似的。在其他的示例中，能以不同的方式设置夹爪组件400、400’。此外，能够如所期望的那样提供多于或少于两个的夹爪组件400、400’。 

如前所述，夹爪组件400、400’被设置成与钻杆抓紧接触，从而减少或阻止钻杆的旋转。减少或阻止钻杆的旋转能够允许断开装置300旋转在两个钻杆之间的接头的相对侧上的另一个钻杆，以断开该接头。下面更加详细地描述一个示例性的断开装置。 

图3A示出根据一个示例的断开装置300的俯视图。断开装置300被设置成通过第一套致动器(诸如夹紧气缸)的动作夹紧钻杆或其他的带螺纹的管状部件；并且通过使用第二套致动器(诸如断开气缸)断开在钻杆或其他的伸长的带螺纹部件之间的接头。 

例如，如图3A所示，断开装置300包括具有顶部305A和底部305B的夹紧壳体305。顶部305A和底部305B被许多外围支撑物间隔开。在至少一个示例中，顶部305A和底部305B可以具有大体类似的构造。在其他的示例中，顶部305A和底部305B可以具有不同的构造。为便于参考，将论述顶部305A和底部305B具有大体类似的构造的示例。因此，对顶部305A的论述可以适用于底部305B。 

夹紧壳体305被设置成支撑一个或多个部件，以向钻杆施加夹紧力，包括一个致动器，诸如夹紧气缸315、315’。夹紧气缸315、315’被设置成定位一个或多个夹爪组件400、400’。与断开装置300相联的夹爪组件400可以和与夹紧装置200相联的夹爪组件大体上类似，也可以不同。 

具体地，如图3B所示，顶部305A通常包括相对的臂325A，325A’。开口330被限定在壳体305的中间部分的附近，并且延伸穿过顶部305A和底部305B(图3B)。继续参考图3B，开口330的尺寸能够被设定为允许钻杆或不同直径的其他伸长的带螺纹部件穿过夹紧装置300。 

如图3A和图3B所示，通过外插销335、335’将夹紧气缸315、315’固定到夹紧壳体305上。具体地，外插销335、335’可以穿过顶部305A、穿过夹紧气缸315、315’、并且至少部分地穿过底部305B。 

夹紧气缸315、315’能够在其伸出和缩回时以任意方式将力传递给夹爪组件400、400’。特别地，可以在顶臂325A、325A’与底臂325B、325B’之间限定通道，通道的尺寸被确定为当通过伸出和缩回夹紧气缸315、315’移动夹爪组件400、400’时接收并引导夹爪组件400、400’。在示出的示例中，夹紧气缸315、315’的伸出和缩回将夹爪组件400、400’朝向开口330移动和从开口330移开。 

除了夹紧壳体305，断开装置300可以包括断开壳体350，断开壳体350通常可以包括顶部350A和底部350B，顶部350A和底部350B被基座352和许多附加的外围支撑物间隔开。顶部350A与底部350B之间的间隔(图3A)允许断开壳体350在其中容纳夹紧壳体305的至少一部分。此外，夹紧壳体305可以以任意方式与断开壳体350旋转耦接，从而允许断开壳体350旋转夹紧壳体305， 接着可以旋转被夹爪组件400、400’夹紧的钻杆。 

如图3A所示，夹紧壳体305可通过一个或多个接口轴承环(interfacingbearing ring)耦接到断开壳体350。例如，轴承环355、355’可以分别与夹紧壳体305的顶部305A和底部305B的外表面相联。附加轴承环360、360’可以与断开壳体350的内表面耦接。在至少一个示例中，间隔装置362、362’可以将轴承环360、360’分别耦接到顶部305A和底部305B。在所述示例中，轴承环355、355’可具有弓形形状以及轮缘(rim)365、365’，轮缘365、365’被定位在轴承环355、355’的外部分上。 

轴承环360、360’可以具有与轴承环355、355’有互补性的形状。此外，轴承环360、360’可以包括朝向轴承环360、360’的内部分定位的轮缘370。这样的构造限制和引导夹紧壳体305相对于断开壳体350的移动，从而允许夹紧壳体305关于断开壳体350旋转。在至少一个示例中，可以使用轴承或其他机构，以减小与夹紧壳体305关于断开壳体350的旋转相关联的摩擦。在其他的示例中，可以使用枢轴、插销、其他的旋转装置和或它们的组合，以允许夹紧壳体305关于断开壳体350旋转。 

如所述，可以操纵夹紧气缸315以将夹爪组件400、400’移动到与接头一侧的一个钻杆啮合，同时夹紧装置200(图2A至图2B)夹紧接头另一侧的另一个钻杆。断开装置300可以通过被这样啮合的夹爪组件400、400’旋转夹紧壳体305，从而断开接头。当断开装置300旋转钻杆时，由断开装置300所施加的力可被断开臂380、380’吸收，因此能减少传输给支撑结构的力和/或振动。 

特别地，断开装置300包括至少一个致动器，诸如断开气缸375、375’。断开气缸375、375’可以耦接到断开臂380、380’，断开臂380、380’延伸超出基座352。断开气缸375、375’可以通过插销385、385’与断开臂380、380’耦接，以及通过插销390、390’与夹紧壳体305耦接。断开臂380、380’被定位成当断开气缸375、375’伸出和缩回时，向夹紧壳体305施力，从而致使夹紧壳体305相对于断开壳体350绕着轴承环355、355’和360、360’旋转。 

特别地，当断开气缸375伸出时，断开气缸375在臂325A、325B上施力， 以使得夹紧壳体305旋转。类似地，断开气缸375’可以缩回，以拉动臂325A’、325B’在相同的方向上旋转。将断开气缸375、375’的伸出和缩回对调能够导致夹紧壳体305在相反的方向上相对于断开壳体350旋转。因此，断开装置300通过布置致动器，能够夹紧并在两个方向上旋转钻杆，从而允许断开装置300断开右螺旋和左螺旋的接头。此外，断开装置300能够通过类似或相同的断开转矩断开右螺旋和左螺旋的接头。尽管上文中所讨论的致动器被描述成包括液压气缸，应理解，可以使用任何类型的致动器。例如，线性致动器可以包括电动的或其他的螺线管、链驱动系统、齿轮驱动系统、线性致动器或它们的组合。 

大体上参考夹爪组件讨论了在上文中所论述的致动器。可以使用不同类型的夹爪组件抓紧和夹紧钻杆或其他伸长的带螺纹部件。下面将描述示例性的夹爪组件，该夹爪组件包括多个抓紧接触(gripping contact)，所述抓紧接触被设置成与不同尺寸和形状的伸长的带螺纹部件结合。在图4A至图4C中更详细地示出一个示例性的夹爪组件400。 

图4A示出夹爪组件400的分解图。如图4A所示，夹爪组件400大体包括具有第一端405A和第二端405B的夹爪主体405。尽管夹爪主体405被绘制成大体上为矩形，应理解，夹爪主体可以是任意形状包括圆形、方形、三角形或任何其他能实现其功能的合适形状。例如，夹爪主体405能够适用于减少或消除夹爪主体405的第二端405B与所啮合的带螺纹的管状部件之间的直接接触。同样地，夹爪主体405可被设置成，使得不管是相对于夹紧装置的壳体205和/或相对于断开装置300的夹紧壳体305，夹爪都能被流畅和稳定地推进及缩回。 

如图4A所示，夹爪主体405包括被限定在其中的插袋410、410’。插袋410、410’被设置成容纳插件415、415’。插袋410、410’可以被成形为允许插件415、415’在其中旋转。特别地，插件415、415’可以具有弓形外形。插袋410、410’可以具有类似的形状或可以被不同地设置。插件415、415’被设置成具有抓紧特征，诸如以可移除的方式与插件耦接的钳模具420。与每个插件415、415’相联的钳模具420可以类似或不同。 

通过所示出的这些圆形插件415、415’，夹紧和断开装置能稳固地抓紧多种 直径的管(或杆)。通常，能够被稳固地抓紧的直径的范围从大约60mm至大约350mm。在该直径范围的后面部分，被结合在每个圆形插件415、415’中的钳模具420在如图1A所示的钻探操作期间与管状部件的外表面大体上恒定接触。该布置在工作期间允许多于四个的摩擦接触点，诸如八个或更多个的摩擦接触点，然而另一方面，传统的夹爪设计通常仅提供四个摩擦接触点。所增多的摩擦接触点能够提供更好的负载传递，从而提升容量和安全性，同时减低相关部件上的磨损。 

夹爪组件400还可以包括被固定在夹爪主体405上的相对的板425A、425B。在至少一个示例中，板425A可以通过一个或多个紧固件430耦接到夹爪主体405。板425A、425B的特征是在工作期间其很少或几乎不直接接触相应的带螺纹的钻杆。因此，所述侧面的板不会因为夹爪的旋接动作和旋开动作而减损。另外，不需要更换所述板，因为它们不会因为与钻杆的摩擦而磨损。 

能够以任何适合的方式诸如通过焊接将板425B固定在夹爪主体405的相对侧上。插件415、415’能被定位在插袋410、410’中。插袋410、410’的弓形侧面可以包括肩435、435’。插袋410、410’的弓形侧面可允许插件415、415’在插袋410、410’内旋转，同时肩435、435’可以将插件415、415’保持在插袋410、410’内，如将在下文中更加详细地讨论的那样。 

应理解，对插件415’的讨论也可适用于插件415。如图4A所示，插件415’可以包括被限定在其中的止动通道440A’、440B’。止动通道440A’、440B’可被设置成与止动器(stop)445A’、445B’啮合，止动器445A’、445B’可穿过板425A、425B中的开口450，并且进入到与一个或多个止动器袋452啮合。当止动器445A’、445B’被这样定位时，止动器445A’、445B’也可以与止动通道440A’、440B’啮合。当插件415’旋转时，止动器445A’、445B’允许插件415’在与止动通道440A’、440B’的端的啮合处之间旋转。通常，尽管能够提供大范围的旋转，在一些情况下，旋转可以在大约22.5°至大于45°之间。 

因此，夹爪组件被设置成允许插件415、415’相对于夹爪主体405旋转，同时插袋410、410’的构造帮助防止插袋410、410’被不经意地从夹爪主体405中移出。板425A和425B还可帮助将插件415、415’保持在夹爪组件400内。使用紧固件430将板425A固定在主体405上的方式可以允许移除板425A，以便能够够到插件，诸如用以更换插件、保养插件415、415’或用于其他的目的。 

如上所述，夹爪组件400可以包括在第一端405A中形成的凹部。该凹部可被形成为大体上垂直于第一端405A并且大体上平行于夹爪组件400与管状部件的外表面的啮合方向。该凹部可位于大体上沿着夹爪的动作的中间线，使得十字插销孔和插销240(图2A)能够穿过该凹部。 

该凹部被设置成容纳活塞闩(piston bar)，借助于上述夹紧缸推进和缩回活塞闩。活塞闩与所述凹部配合，使得活塞闩的前表面与夹爪主体405接触，从而在夹紧操作期间驱动夹爪组件。通过这种方式，活塞闩直接地驱动夹爪组件而不用借助十字插销240。但是，在夹紧操作后缩回活塞闩时，十字插销240能够帮助确保夹爪组件400与活塞闩一起被缩回。 

夹爪主体405被设置成啮合带螺纹的管状部件，诸如图4B所示的钻杆460。当夹爪主体405与钻杆460接触时，插件415、415’相对于夹爪主体405枢转，以将钳模具420移动到与钻杆460接触。如图4B和图4C所示，夹爪主体钳模具420能够旋转以抓紧具有不同直径的钻杆460(图4B)、460’(图4C)，同时最大化与钻杆接触的钳模具420的表面积量。除了允许夹爪主体405抓紧具有大范围直径的钻杆，枢转的插件415、415’还能最大化夹爪组件400、400’施加到钻杆460、460’上的夹紧力。此外，这样的布置可允许操作者使用容易得到的备件。 

至此，描述了插件和钳模具的一种构造。如图5所示，夹爪组件500可以具有以不同方式设置的插件515、515’和与插件515、515’交互的相应的钳模具以及钳模具420。如图5所示，夹爪主体505可被设置成容纳具有抓紧垫520的圆形插件515和515’。此外，不同的插件可以具有附随的可置换的垫，以适应多个角度或布置。通过这样的方式，如前所述，夹爪组件能够抓紧多种直径的带螺纹的管状部件。 

例如，如图6所示，插件600可包括槽610和切口620，使得在期望不同类型的垫或新的垫时，能够容易地移除或取下并取代抓紧垫。此外，可以与包括模具和垫的插件一起使用任意类型的钳模具或抓紧垫，以促进或改变抓紧能力。其中模具和垫为光滑的或结合有褶皱、垫、凸起、齿等。实际上，可以使用不同形状和样式的模具和垫，以促进或改变抓紧能力。

尽管上述圆形的插件415包括两个用于钳模具420的沟槽418、418’，在一些实施例中，插件可以根据需要包括一个、三个、或甚至更多个钳模具。同样地，尽管上述插件包括一个抓紧垫，插件可以包括一个、两个、或甚至更多个抓紧垫。此外，在前面所示的物理描述之外，还可以在夹爪组件内使用多种类型的圆形插件。 

尽管描述了钳模具和抓紧垫，可以与任何类型的插件一起使用任何类型的磨损插件。在一些示例中，由于被抓紧的钻杆的尺寸，钳模具将被用于某些类型的插件。在其他的示例中，由于被抓紧的钻杆的尺寸，使用抓紧垫。钳模具和抓紧垫的外形可不同，因此，钳模具和抓紧垫能够适于和用于不同的目的。 

夹紧装置200、断开装置300、及它们的部件可以由任何合适的材料来制造，所述材料在结构方面足够完成夹紧装置200、断开装置300及它们的部件所预定的功能。这样的材料可以包括但不限于钢、铝、黄铜、铜、和其他金属合金。此外，可以通过现有技术中已知的方法，由任意或全部这这些材料来形成所述部件。 

夹紧和断开装置可被用在任何所期望的方向上。例如，上面的描述典型地涉及竖直方向，使得夹紧和断开装置被被用在处于竖直位置的钻杆上。但所述装置可以用于处于水平位置的钻杆。事实上，所述装置可被用于朝向任何角度的任意带螺纹的管状部件。 

在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，可以以其他具体的形式来实施本发明。应在所有方面认为所述实施例仅是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围时通过所附权利要求而非前面的描述而指定的。在权利要求的含义和等同的范围内所作的所有改变都包括在权利要求的范围内。 

Claims (18)

1.一种夹爪组件，包括：

具有第一端和第二端的夹爪主体；

至少一个插袋，所述插袋包括相对于在所述夹爪主体的第一端和第二端之间的平面成弓形的侧面；和沿着所述弓形侧面定位的第一止动器和第二止动器；

位于所述至少一个插袋内的至少一个插件，所述至少一个插件具有后端和前端，并包括第一槽和第二槽，其中所述后端包括与所述至少一个插袋的弓形侧面互补的至少部分弓形的形状，并且，所述后端包括沿着所述弓形形状延伸到所述弓形形状内的第一通道和第二通道，其中，所述第一止动器位于所述第一通道内且第二止动器位于所述第二通道内；

其中所述至少一个插件配置成在由所述第一止动器和第二止动器和所述第一通道和第二通道限制的旋转范围内在所述至少一个插袋内旋转；

形成在所述夹爪主体的第二端上的肩，其中所述肩配置成保持在所述至少一个插袋内的至少一个插件；以及

其中，所述至少一个插件中的每个插件包括第一抓紧特征和第二抓紧特征，其中所述第一抓紧特征位于所述插件的第一槽内，并且所述第二抓紧特征位于所述插件的第二槽内。

2.根据权利要求1所述的夹爪组件，其中，所述至少一个插袋具有部分圆形的侧面。

3.根据权利要求1所述的夹爪组件，其中，所述第一抓紧特征可移除地与所述插件的第一槽耦合。

4.根据权利要求1所述的夹爪组件，其中，所述第二止动器被设置成限制所述至少一个插件相对于所述至少一个插袋的旋转。

5.根据权利要求4所述的夹爪组件，其中，所述第二止动通道被设置成与所述第二止动器协调，以限制所述至少一个插件相对于所述至少一个插袋的旋转。

6.根据权利要求4所述的夹爪组件，其中，所述第二止动器被设置成允许所述插件相对于所述夹爪主体在22.5度至45度之间旋转。

7.根据权利要求1所述的夹爪组件，其中，所述至少一个插袋包括多个限定在所述夹爪主体中的插袋。

8.根据权利要求1所述的夹爪组件，还包括第一板和第二板，其中所述第一板联接至所述夹爪主体的第一侧，并且所述第二板联接至所述夹爪主体的相对的第二侧。

9.用于夹紧和断开钻柱部件的系统，包括：

夹紧装置，夹紧装置被设置成抓紧钻柱部件，且包括壳体和与所述壳体相联的基座；以及

断开装置，断开装置被设置成抓紧和旋转钻柱部件，且该断开装置包括壳体和与所述壳体相联的基座，其中，所述夹紧装置的基座和所述断开装置的基座被设置成相互独立地安装在至少一个支撑结构上，且其中，所述夹紧装置和断开装置之一包括对置的根据权利要求1-6中任一项所述的夹爪组件。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述夹紧装置包括：

对置的根据权利要求1-6中任一项所述的夹爪组件；以及

致动器，所述致动器被设置成将所述夹紧装置的夹爪组件移动到与钻柱部件紧接触。

11.根据权利要求9所述的系统，其中，所述断开装置包括：

夹紧壳体，所述夹紧壳体具有在该夹紧壳体中形成的开口；

根据权利要求1-6中任一项所述的夹爪组件；

夹紧致动器，所述夹紧致动器被设置成将所述断开装置的夹爪组件移动到与钻柱部件啮合；以及

断开壳体，以及与所述断开壳体和夹紧壳体耦接的断开致动器，该断开致动器被设置成相对于断开壳体旋转夹紧壳体。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述夹紧致动器和断开致动器中的至少一个包括气缸。

13.根据权利要求11所述的系统，还包括将所述夹紧壳体与所述断开壳体耦接的互补的轴承环。

14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述夹紧壳体包括具有相对的顶臂的顶部，以及具有相对的底臂的底部，所述顶部与所述底部间隔开。

15.根据权利要求14所述的系统，还包括：在每个相对的顶臂和每个相对的底臂之间的至少一个通道，每个通道被设置成引导夹爪组件朝向所述夹紧壳体中的开口移动和从夹紧壳体的开口移开。

16.根据权利要求14所述的系统，其中，所述夹紧致动器被安装在所述相对的顶臂和相对的底臂之间，并且还与所述夹爪组件耦接。

17.根据权利要求9-11中任一项所述的系统，其中，所述的对置的夹爪组件中的至少一个包括带有抓紧特征的插件。

18.一种钻探系统，包括：

权利要求9-17中任一项所述的系统；

桅杆，权利要求9-17中任一项所述的系统安装在所述桅杆上；以及

由所述桅杆支撑的钻头。

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