CN102089492A - 为夹持工具提供改进操作范围的夹具扩展联动装置及用法 - Google Patents

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Abstract

用以为具有径向夹持元件的夹持工具提供改进的操作范围的夹具扩张联动装置。夹具扩张联动装置包括具有中心内孔和外围外表面的至少一个环形主体。提供了刚性细长的轮辐。在环形主体上提供了轮辐导引件。轮辐导引件与轮辐紧密配合，以约束所述轮辐，同时允许轮辐从缩回位置径向移动至接合位置。

Description

为夹持工具提供改进操作范围的夹具扩展联动装置及用法
技术领域
本发明有意涉及管件或管柱(tubular strings)必须利用工具进行夹持、操作和提升的应用，工具被连接至驱动头(drive head)或反力架(reaction frame)，以能够将轴向和扭转载荷传递至被夹持的管段或传递来自被夹持的管段的轴向和扭转载荷。在地钻孔、井建设以及用钻探机和修井钻机进行井维修的领域中，本发明涉及卡瓦(slips)，并且更特别地涉及使用顶部驱动装置(top drives)的钻机上的卡瓦，本发明应用于管状运行工具，管状运行工具被连接到顶部驱动装置上用于夹持正在被装配到井眼内的、正在井眼内使用的或正在从井眼中拆除的管柱近端段。这种管状运行工具支持对包括如下的这些操作所必需或有益的各种功能：快速接合和释放、提升、推进、旋转以及加压的流体流进和流出管柱。本发明提供用于延长或改进这种管状运行工具的夹持范围的联动装置(linkage)。
背景技术
直到最近，动力钳(power tongs)都是用于协同钻探机提升系统敷设套管柱或管柱进或出石油井的常设方法。此动力钳方法允许由具有配合的螺纹端部的管段或接头组成的这种管柱通过将配合的螺纹端部螺栓连接到一起(组装)而进行相对高效地装配，在连续的管段被添加到正在安装到井眼内或者相反地正在被拆下或拆除(拆卸)的管柱上时，在这些连续的管段之间形成螺纹连接。但是，此动力钳方法不能同时支持其他有益的功能，例如在管段被添加到管柱上或从管柱上拆除之后并且管柱正在井眼内降低或升高的时候进行旋转、推进或流体填充。典型地用钳子敷设管件还需要在相对较高危险的位置，例如钻台上或更有甚者在钻台上方、在所谓的“对扣台”，上进行人员配置。
装备有顶部驱动装置的钻探机的出现实现了一种敷设管件特别是套管件的新方法，其中，顶部驱动装置被装备有所谓的“顶部驱动管状运行工具”用以夹持并且可能地在邻近管段和顶部驱动钻轴之间密封。(应理解，此处术语顶部驱动钻轴通常是指包括可以连接于其上的这种驱动管柱部件、有效地用作钻轴延伸部的远端)因此已经开发了大致实现“顶部驱动装置套管敷设”目的的各种装置。利用这些装置与顶部驱动装置相结合允许提升、旋转、推进套管柱以及在敷设的同时用钻探流体填充套管柱，因此消除了与动力钳有关的限制。同时，与顶部驱动装置的固有优势相结合的夹持机构的自动化操作减小了用动力钳进行敷设的过程所需要的人员介入的水平，并因此提高了安全性。
另外，为了使用顶部驱动管状运行工具操作和敷设套管，当邻近的或活动的管段被添加至以其它方式装配的管柱上或从其上面拆除时，管柱的重力必须从顶部驱动装置传递至支撑装置。典型地，通过“环形楔夹具”轴向载荷致动的夹持装置提供了此功能，该装置利用被置于空心“卡瓦座”内的“卡瓦“或爪，套管被敷设穿过该空心“卡瓦座”，其中，卡瓦座具有沿着向下的方向直径减小的截头圆锥形孔，并且被支撑在钻台内或钻台上。然后，在管柱近端的管段与卡瓦座的截头圆锥形内表面之间用作环形楔的卡瓦牵引地夹持管，但当管柱重力传递至夹具上时在卡瓦座的内表面上向下并径向向内滑动或移动。因而，卡瓦和管体之间的径向力是轴向载荷自激励(self-activated)或“自供能的(self-energized)”，也就是，考虑到牵引能力这一因变量和管柱重力这一自变量，存在正向的反馈回路，其中，管柱重力自变量被主动反馈以控制径向夹持力，径向夹持力单调地起作用，进而控制对滑动的牵引能力或抵抗力这一因变量。类似地，施加到活动管段上的组装和拆卸扭矩也必须反作用至被装配的管柱近端外面。典型地通过钳子提供了此功能，钳子具有接合邻近管段的夹具和通过链接件例如链条或线缆连接至钻探机结构上的臂，以防止旋转并因此反作用没有被卡瓦座内的卡瓦以其它方式反作用的扭矩。同样，这种钳子的夹持力典型地通过来自所施加的扭矩载荷的正向反馈自激励或“自供能”。
概括来说，PCT专利申请的CA 2006/00710和美国国家阶段申请11/912,665的夹持工具可以总体概括为包括本体组件和夹持组件的夹持工具，本体组件具有被连接用以将轴向载荷传递至本体或称主体的剩余部分的载荷适配器，载荷适配器适于结构性地连接至驱动头或反力架的其中一个，夹持组件被主体支撑并且具有夹具表面，夹持组件被提供有致动装置，用以从缩回位置径向运动或移动至接合位置，以响应于主体相对于夹具表面在至少一个方向内的相对轴向运动或轴向行程，径向牵引地接合夹具表面与工件的内表面或外表面的任一个。联动装置被提供用以，在载荷适配器相对于夹具表面在至少一个行程内相对旋转时，在主体组件和夹持组件之间作用，导致主体相对于夹持组件相对径向移动，以根据致动装置的动作将夹持组件从缩回位置移动至接合位置。
因而，此夹持工具利用机械致动的夹具机构，响应于轴向载荷或夹具组件的轴向行程致动而产生夹持力，夹具组件的轴向行程致动与以施加右手或左手扭矩的形式外部施加轴向载荷和外部施加扭矩载荷一起发生或独立于其发生，这些载荷从本体组件的载荷适配器至与工件牵引接合的夹持组件的夹具表面由整个工具承载。
很显然的，这种或其他类似夹持工具的效用与工件尺寸范围有关，典型地表示为可以容纳于指定夹持工具的完全缩回和完全伸出的夹具表面位置之间的管状工件的最小和最大直径，也就是，夹持表面的径向尺寸和径向行程。如果指定夹持工具可以容纳更大范围的工件尺寸，则可以改进其效用。本发明旨在满足更大径向尺寸和径向行程比较有益的应用中，例如当调节夹持工具敷设油田管件时经常发生，的这种要求。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种夹具扩展联动装置，其为具有径向夹持元件的夹持工具提供改进的操作范围。夹具扩展联动装置包括：具有中心内孔和外围外表面的至少一个环形主体。提供了刚性细长的轮辐。在环形主体上提供有轮辐导引件。轮辐导引件与轮辐紧密配合，以约束轮辐，同时允许轮辐从缩回位置径向移动至接合位置。
根据本发明的另一方面，提供了一种方法，其中，上述的夹具扩展联动装置被用于改进具有径向夹持元件的夹持工具的操作范围。这包括在所述至少一个环形主体的中心内孔内放置工件或圆柱形夹持工具中的一个，围绕所述至少一个环形主体的外围外表面放置工件或圆柱形夹持工具中的另一个。将轮辐放置于夹持工具的夹持元件和工件之间的环形空间内。每个轮辐的第一端接合夹持元件，而每个轮辐的第二端或直接或间接接合工件。当夹持工具的夹持元件径向移动以在每个轮辐的第一端施加压力时，轮辐从缩回位置径向移动至伸出位置，并且用作夹持工具的夹持元件的径向延伸部。
如上所述，轮辐可以或直接或间接作用于工件上。下面将进一步描述轮辐间接接合工件的配置。在该实施例中，从动夹持元件被置于每个轮辐的第二端。夹持工具的夹持元件的径向移动通过轮辐传递至从动夹持元件。
如上所述，工件或夹持工具中任一个可以被置于中心内孔内。当工件被置于中心内孔内时，夹持工具的内表面被围绕主体的外围放置，而每个轮辐的第二端直接或间接接合工件的外表面。当夹持工具被置于中心内孔内时，工件的内表面被围绕主体的外围放置，而每个轮辐的第二端直接或间接接合工件的内表面。
附图说明
本发明的这些和其它特征将从下面参考附属图示的描述中变得更加明显，图示仅仅用于示意目的并不意于以任何方式将本发明的范围限制于特殊实施例或所示出的实施例。其中：
图1是位于管状工件内部的夹具表面扩展联动装置的示意图；
图2是具有夹具表面扩展联动装置组件的内部夹具管状运行工具的外部视图；
图3是夹具表面扩展联动装置组件的外部轴测视图；
图4是第一导引板的外部轴测视图；
图5是第二导引板的外部轴测视图；
图6是夹具表面扩展联动装置组件的剖视图；
图7是轮辐组件的剖视图；
图8是夹具表面扩展联动装置组件的轴向剖视图，其被示出为位于工件内部并与其同轴。
具体实施方式
一般原理(General Principles)
现在参考图1，示出了通过夹具表面扩展联动装置50的径向平面的横截面示意图，夹具表面扩展联动装置50由轮辐51和轮辐导引件52组成，它们被示出为布置于管状工件53里面的多个元件并且应理解为作为刚体共同作用(在本图的二维平面之外彼此连接)。轮辐51设置有与管状工件53紧密配合的延伸的夹具表面54和夹持工具夹具或界面表面55，在一个轮辐51上，示出了可以典型地通过夹持工具施加到夹持工具接口表面55上以通过夹具表面扩展联动装置50施加扭矩到工件上的力矢量以及夹具表面54上的合力，对本领域内的技术人员来说很显然的，根据要求切向力矢量“Ti”和“To”大多数情况下典型地小于径向力矢量“Ri”和“Ro”，以符合典型的摩擦夹具/工件界面特性，并且同样地，相对较短的径向轮辐将趋于稳定，而相对较长的径向轮辐可能趋于滚动并且施加过大的弯曲载荷(prying load)，因为通过轮辐51和工件53之间的界面56和轮辐51和夹持工具(图中未示出)之间的界面55上的径向不均匀载荷分布滚动被预防了。为了稳定和预防过大的径向弯曲载荷，扩展联动装置50被提供有至少一个刚性轮辐导引件52，其被设置为在相邻的轮辐51之间作用，并且在每个轮辐导引件界面58上提供平行的导引件接触面57，轮辐导引件界面58与轮辐51充分紧密配合并且还足够刚硬，这样，轮辐51通过与轮辐导引件界面58接触，产生分别作用在径向内部和外部位置上的由矢量“Wi”和“Wo”表示的弯矩反作用接触应力，预防了轮辐51的任何滚动趋向，同时导引件接触面57足够平滑，以便于在轮辐导引件界面58上径向滑动接合，并允许轮辐51在载荷作用下径向运动，因此允许延伸的夹具表面54径向移动并接合工件53。现在很明显的，夹具表面扩展联动装置50提供了一种从夹持工具界面55传递径向和扭转载荷至延伸的夹具表面54的结构，并且预防了轮辐51旋转或在反作用弯矩作用下对任一轮辐导引件界面58或对工件53与延伸的夹具表面54的界面施加影响(impose)的趋势。
夹具表面扩展联动装置
参考图2至8，现在将描述此处被称为“夹具表面扩展联动装置”的本发明的优选实施例，前面关于图1大体上进行了描述。首先参考图2，内部夹持管状运行工具100被示出为设置有夹具表面扩展联动装置组件400，其适于与夹具组件120的下端109配合并被其支撑。组件400由多个径向定向的轮辐480(此处示出为五个，与爪160的数目匹配)、第一和第二轮辐导引板460和470，分段的止动环520以及带螺纹的止动环530组成。第一轮辐导引板460被同轴地置于轮辐480的上端481，并且类似地第二轮辐导引板470被置于轮辐480的下端482，其中，轮辐480分别与向内朝向的第一和第二径向槽465和475接合，第一和第二径向槽465和475分别布置于导引板460和470内，因此形成如前面关于图1描述的轮辐导引件。仍参考图2，槽497可以被提供用于放置环状螺旋弹簧(图中未示出)，以便于轮辐480缩回。现在参考图3，示出了与运行工具分开的夹具表面扩展联动装置组件400的轴测外部视图，轮辐480被作为刚性连接到径向外部模元件500上的径向内部腹部元件490的组件提供，模元件500支撑被设置用以接合工件(图中未示出)的延伸的夹具表面504。
现在参考图4，其示出了第一导引板460的外部轴测视图，第一导引板460具有顶端461、底端462、内孔463和外表面464。第一导引板460具有多个径向槽465，在本实例中为五个，每一个被从内孔463延伸至外表面464的底端462上的载荷面466和467限定。与内孔463相邻并与内孔463同心并且位于导引板460的底端462上的是环状螺旋弹簧槽468和行程极限肋469。在导引板460的顶端461上，与内孔463同心并相邻的是止动环定位槽459。
仍参考图3，夹具表面扩展联动装置组件400被提供有止动环520，止动环520由多个止动环段521组成，在本实例中为五个，止动环段521具有上表面522、下表面523、内表面524和外表面525。止动环520与第一导引板460相邻放置，以便下表面523与导引板460的顶表面461上的止动环定位槽459配合并通过螺栓(图中未示出)刚性连接至其上面。止动环520的内表面524具有内部隆起部分526，其被设计用以接合轴向保持槽148，参考图2，因此约束第一导引板460在夹持工具100上的相对轴向运动。
现在参考图5，示出了第二导引板470的外部轴测视图，其具有顶端471、底表面472、内孔473以及外表面474。第二导引板470具有多个径向槽475，在本实例中为五个，每一个由从内孔473延伸至外表面474的顶端471上的载荷面476和477限定。与内孔473相邻并同心并且位于导引板470的底端472上的是止动弹簧导引肩部478和行程极限肋479。
现在参考图6，示出了组件400的剖视图，带螺纹的止动环530具有顶表面531、内表面532以及底表面533，在顶表面531上具有密封元件534而在内表面532上具有螺纹元件535。带螺纹的止动环530被与第二导引板470同心布置，螺纹元件535被设计为用以螺纹接合管状运行工具100的笼框144，参考图2。再参考图6，环530的顶表面531接合导引板470的底表面472，因而轴向约束第二导引板470和夹具表面扩展联动装置组件400的相对向下运动。
现在参考图7，示出了单一轮辐组件480的剖视图，在本发明的本实施例中，轮辐组件480由腹部490和模500组成，但是，应理解，本发明并不限制于此结构，而且轮辐部件的数目可以根据需要进行选择，以提供制造的简易性、不同尺寸之间零件的互换性、模的径向伸长和圆周延伸长度所要求的以及与其特别关联的构件强度。仍参考图7，大致细长的腹部490具有顶端491、底端492、内表面493以及外表面494。外表面494被提供有多个大体布置于顶端491和底端492之间的轴向载荷突出部496，同时内表面493被提供有多个布置于顶端491和底端492之间的轴向载荷槽495。腹部490具有多个圆周止动弹簧槽497，在本实例中为四个，一个位于顶端491，一个位于底端492，它们用于容纳直接保持腹部490的环状螺旋弹簧(图中未示出)，而另外两个沿内表面493布置，为直接保持管状运行工具100的爪160的另外的环状螺旋弹簧(图中未示出)提供间隙，腹部490具有两个止动唇部498，分别位于每一侧，它们被轴向定向并且在顶端491和底端492之间延伸。腹部490的厚度大体取决于爪160的厚度以及在所述爪160之间具有某一非零笼框厚度同时心轴接触面积最大的要求。
仍参考图7，模500具有顶端501、底端502、内表面503以及外夹具表面504，模500具有多个侧向定向的轴向止动槽505，它们大致布置于顶端501和底端502之间的内表面503上。现在参考图3，通过布置于螺栓孔509内的螺栓(图中未示出)，模500被连接至腹部490。现在参考图7，模500的内表面503与腹部490的外表面494配合并互锁，以便模500的轴向止动槽505接合腹部490的轴向载荷突出部496，并且现在参考图8，示出了夹具表面扩展联动装置组件400的轴向定向的剖视图，模500的侧向止动唇部506突出腹部490的侧表面511并与其接合，共同提供用于在腹部490和模500之间传递轴向、圆周和径向载荷的装置。现在参考图2，腹部490的内表面493被设计成与管状运行工具100的爪160的外部夹持表面164(图中未示出)配合并互锁，以提供用于以与腹部490和模500之间的载荷传递方式类似的方式在管状运行工具100和腹部490之间传递载荷的装置。
仍参考图8，模500的延伸的夹具表面504通常设置有摩擦增强表面(图中未示出)，其被设计用以在表面渗透(surface penetration)和摩擦特征之间提供平衡，并且用以提供相对较大的接触面积以分布径向接触载荷并因此最小化工件401的变形，同时牵引式地(tractionally)接合工件401的内表面402，并且提供用于在模500和工件401之间传递轴向、圆周以及径向载荷的装置。
仍参考图6，导引板460和470上的行程极限肋469和479分别与腹部490的顶端491和底端492上的弹簧止动槽497联合作用，并且如果轮辐组件480径向移动超过设计极限行程，它们将通过接合用作刚性挡块。现在参考图3，夹具表面扩展联动装置组件400的轮辐480轴向位于第一导引板460和第二导引板470之间，并且分别在导引槽465和475中对正，以便腹部490的侧表面511滑动接合所述导引槽，并且反作用于由于如前面关于图1所述的施加在腹部490的内表面493上的管状运行工具界面499上的扭矩而合成在轮辐组件480上的侧向力。
仍参考图2，夹具表面扩展联动装置组件400位于管状运行工具100外面并与其同轴，其中，轮辐480的夹持工具界面表面499与夹具组件120的爪160的夹持表面164接合，并且轮辐480可以与管状运行工具100的爪圆周对正。还可以理解，轮辐480的数目可以等于管状运行工具100上爪160的数目。现在参考图8，对本领域内技术人员来说很显然的，夹具表面扩展联动装置不必须与特殊的管状运行工具联合或连接至特殊的管状运行工具，同样地所述联动装置组件400可以在第一和第二导引板460和470之间提供有内部链接，以防止相对轴向运动但允许每个导引板绕联动装置组件400轴线的某些相对旋转。在本实例中，可以在工件401内提供轴向保持组件400的手段，这样，首先将夹具表面扩展联动装置组件400插入所述工件并且夹持所述工件，随后将管状运行工具(图中未示出)插入夹具表面扩展联动装置组件400并且致动所述管状运行工具将致动所述夹具表面扩展联动装置组件400。很显然地，在快速连续夹持不同尺寸的多个工件的应用中，诸如此装置的构造可能是有益的。
在本专利申请中，词语“包括”被以非限制性意义使用，用来指包括该词语后面的内容，但不排除未特别提及的内容。不定冠词提及的元件不排除存在一个以上该元件的可能性，除非文中明确需要一个并且只需要一个该元件。
对本领域内的技术人员来说很显然的，在不偏离如下文权利要求中限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对所示意的实施例进行修改。

Claims (10)

1.一种夹具扩展联动装置，用以为具有径向夹持元件的夹持工具提供改进的操作范围，所述夹具扩展联动装置包括：
至少一个环形主体，其具有中心内孔和外围外表面；
刚性细长的轮辐；以及
所述至少一个环形主体上的轮辐导引件，所述轮辐导引件与所述轮辐紧密配合，以约束所述轮辐，同时允许所述轮辐从缩回位置径向移动至接合位置。
2.根据权利要求1所述的夹具扩展联动装置，其特征在于，所述至少一个环形主体包括上环形板和下环形板。
3.根据权利要求2所述的夹具扩展联动装置，其特征在于，所述轮辐被夹在所述上环形板和所述下环形板之间。
4.根据权利要求1所述的夹具扩展联动装置，其特征在于，从动夹持元件被安装于每个所述轮辐的一端。
5.根据权利要求1所述的夹具扩展联动装置，其特征在于，在每个所述轮辐和所述轮辐导引件之间具有行程限制挡块。
6.根据权利要求1所述的夹具扩展联动装置，其特征在于，所述轮辐被弹簧偏压进入缩回位置。
7.一种改进夹持操作范围的方法，包括：
提供夹具扩展联动装置，包括：
至少一个环形主体，其具有中心内孔和外围外表面；
刚性细长的轮辐；以及
所述至少一个环形主体上的轮辐导引件，所述轮辐导引件与所述轮辐紧密配合，以约束所述轮辐，同时允许所述轮辐从缩回位置径向移动至接合位置；
在所述至少一个环形主体的中心内孔内放置工件或圆柱形夹持工具中的一个，围绕所述至少一个环形主体的外围外表面放置所述工件或所述圆柱形夹持工具中的另一个，所述轮辐被置于所述夹持工具的夹持元件和所述工件之间的环形空间内，每个所述轮辐的第一端接合所述夹持元件，而每个所述轮辐的第二端或直接或间接接合所述工件；
径向移动所述夹持工具的夹持元件，以在每个所述轮辐的第一端施加压力，所述轮辐从缩回位置径向移动至伸出位置并且用作所述夹持工具的夹持元件的径向延伸部。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述轮辐间接接合所述工件，从动夹持元件放置于每个所述轮辐的第二端，其中，所述夹持工具的夹持元件的径向移动通过所述轮辐传递至所述从动夹持元件。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述工件放置于所述至少一个环形主体的中心内孔内，所述夹持工具的内表面被围绕所述至少一个环形主体的外围外表面放置，并且每个所述轮辐的第二端直接或间接接合所述工件的外表面。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述夹持工具放置于所述至少一个环形主体的中心内孔内，所述工件的内表面被围绕所述至少一个环形主体的外围放置，并且每个所述轮辐的第二端直接或间接接合所述工件的内表面。
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