CN103953297B - 转矩耦合式节能石油修井机 - Google Patents

Abstract

一种转矩耦合式节能石油修井机，由动力机组、转矩耦合器、液压蓄能器、小定量液压泵或马达、大定量液压泵或马达、变速箱、滚筒等部分组成，小定量液压泵或马达与大定量液压泵或马达同轴连接，动力机组通过转矩耦合器与小定量液压泵或马达、大定量液压泵或马达的轴相连接。与普遍采用的常规修井机相比，可以将动力机功率减小为常规修井机的1/4，还可以回收管柱下放时释放出来的重力势能。在起升管柱的辅助作业期间，定量液压泵或马达作为液压泵运转，起升管柱时，定量液压泵或马达作为液压马达运转，只用定量液压泵或马达一个元件就起到了两个元件的作用，简化了结构，降低了成本。

Description

转矩耦合式节能石油修井机

技术领域

本发明涉及石油、天然气工业的修井设备，具体地讲是一种转矩耦合式节能石油修井机。

背景技术

修井机最常见的一种作业是起升和下放管柱的作业。起升管柱的作业是间歇性的周期过程。修井机机动起升管柱的时间约占整个起单根周期的1/4，而卸扣、摆放单根等辅助作业时间则占3/4。机动起升管柱需要动力机大功率工作，而卸扣、摆放单根等辅助作业时动力机小功率工作。常规修井机为了满足快速起升管柱的需要，装机功率都较大。大功率动力机大部分时间是在小功率下工作，经济性差，动力机磨损严重。

管柱从井下被提到地面储存了相当的重力势能，将管柱下放入井内时，储存的重力势能要释放出来，这些能量是相当大的。常规修井机不能回收这些能量，只能靠制动器将其变成热能消耗掉。

所以常规修井机在起升和下放管柱的作业中都存在着能量浪费现象。申请号为91106336.6的中国专利“液压蓄能石油修井机”也可以解决这个问题，该机取消了常规修井机的滚筒、井架，采用三个升降液压油缸进行管柱的起升和下放作业，由此带来的缺点是三个升降液压油缸结构复杂、占地面积大、安装不方便。

申请号为200610068974.9、200620010356.4的中国专利“车背式液压蓄能修井机”是对上述申请号为91106336.6的中国专利的进一步改进，该机取消了常规修井机的滚筒、井架，采用一个主油缸进行管柱的起升和下放作业。该主油缸分为主升腔A、辅助油腔B和辅助油腔C三个油腔，结构复杂，制造加工和装配的难度大、成本高。

发明内容

为了克服常规修井机在起升和下放管柱的作业中存在的能量浪费现象，同时克服现有的液压蓄能修井机的上述缺点，本发明提供了一种转矩耦合式节能石油修井机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：转矩耦合式节能石油修井机，包括动力机组、变速箱、滚筒、游车大钩、滚筒制动器、井架、溢流阀、液压蓄能器，其特殊之处在于还包括转矩耦合器、小定量液压泵或马达、大定量液压泵或马达、第一个两位三通换向阀、第二个两位三通换向阀；转矩耦合器内安装第一轴、第二轴和第三轴；第一轴上依次固定安装了第一齿轮、安装了第一啮合套、空套安装了第二齿轮，第一啮合套可随第一轴同步转动，也可沿第一轴作轴向左右移动；第一啮合套沿第一轴向右移动可实现与第二齿轮上的连接齿相接和；第二轴上固定安装了第三齿轮；第三轴上依次固定安装了第四齿轮、安装了第二啮合套、空套安装了第五齿轮，第二啮合套可随第三轴同步转动，也可沿第三轴作轴向左右移动；第二啮合套沿第三轴向右移动可实现与第五齿轮上的连接齿相接和；第一齿轮与第四齿轮相互啮合；第三齿轮同时与第二齿轮和第五齿轮相互啮合；第一轴通过第一联轴器与动力机组相连接；小定量液压泵或马达的轴的一端通过第二联轴器与第二轴相连接，小定量液压泵或马达的轴的另一端与大定量液压泵或马达的轴的一端同轴连接，大定量液压泵或马达的轴的另一端与离合器的主动部分相连接，离合器的从动部分通过第三联轴器与变速箱的输入轴相连接；小定量液压泵或马达的高压油口连通第一个两位三通换向阀的P1口，大定量液压泵或马达的高压油口连通第二个两位三通换向阀的P2口；第一个两位三通换向阀的B1口连通油箱，第二个两位三通换向阀的B2口连通油箱；第一个两位三通换向阀的A1口分别与第二个两位三通换向阀的A2口、液压蓄能器的输油口、溢流阀的进油口相连通。

在起升管柱的辅助作业期间，动力机组带动定量液压泵或马达向液压蓄能器中充油，储存能量。在起升管柱时，液压蓄能器中的压力油驱动定量液压泵或马达与动力机组共同起升管柱。所以动力机组的功率比常规修井机大为减小，大约仅为常规修井机的1/4。下放管柱时可将动力机关机，管柱在本身重力作用下下放入井内，同时驱动定量液压泵或马达向液压蓄能器中充油，也就是将管柱的重力势能变为液压蓄能器中的压力能储存起来，这部分回收的能量可用于提升单根、上扣等辅助作业用。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、与普遍采用的常规修井机相比，可以将动力机功率减小为常规修井机的1/4，还可以回收管柱下放时释放出来的重力势能。

2、与液压蓄能修井机相比，保留了常规修井机的滚筒、井架、变速箱等，只在常规修井机上增加转矩耦合器、定量液压泵或马达、液压蓄能器等部件，相比带有复杂结构升降油缸的全新结构的液压蓄能石油修井机，改造成本低。

3、在起升管柱的辅助作业期间，定量液压泵或马达作为液压泵运转，起升管柱时，定量液压泵或马达作为液压马达运转，只用定量液压泵或马达一个元件就起到了两个元件的作用，简化了结构，降低了成本。

4、与液压蓄能修井机相比，起升管柱期间，动力机的能量不用先变成液压能去驱动液压缸或液压马达起升管柱，而是直接与液压马达一起来起升管柱，减少了能量转换环节，提高了效率。

附图说明

附图为本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详述。参见附图，转矩耦合式节能石油修井机，包括动力机组、变速箱8、滚筒15、游车大钩16、滚筒制动器13、井架17、溢流阀11、液压蓄能器12，它还包括转矩耦合器7、小定量液压泵或马达3、大定量液压泵或马达4、第一个两位三通换向阀9、第二个两位三通换向阀10。动力机组包括一台大动力机1、一台小动力机2、联轴器51、52、离合器61、62及并车带传动14，两台动力机1、2可分别独立工作，也可同时联合工作。小定量液压泵或马达3的排量小于大定量液压泵或马达4的排量。转矩耦合器7内安装第一轴70、第二轴78和第三轴79；第一轴70上依次固定安装了第一齿轮71、安装了第一啮合套73、空套安装了第二齿轮74，第一啮合套73可随第一轴70同步转动，也可沿第一轴70作轴向左右移动；第一啮合套73沿第一轴70向右移动可实现与第二齿轮74上的连接齿相接和；第二轴78上固定安装了第三齿轮75；第三轴79上依次固定安装了第四齿轮72、安装了第二啮合套76、空套安装了第五齿轮77，第二啮合套76可随第三轴79同步转动，也可沿第三轴79作轴向左右移动；第二啮合套76沿第三轴79向右移动可实现与第五齿轮77上的连接齿相接和；第一齿轮71与第四齿轮72相互啮合；第三齿轮75同时与第二齿轮74和第五齿轮77相互啮合。第一轴70通过第一联轴器53与动力机组相连接。小定量液压泵或马达3的轴的一端通过第二联轴器54与第二轴78相连接，小定量液压泵或马达3的轴的另一端与大定量液压泵或马达4的轴的一端同轴连接，大定量液压泵或马达4的轴的另一端与离合器63的主动部分相连接，离合器63的从动部分通过第三联轴器55与变速箱8的输入轴18相连接。小定量液压泵或马达3的高压油口连通第一个两位三通换向阀9的P1口，大定量液压泵或马达4的高压油口连通第二个两位三通换向阀10的P2口。第一个两位三通换向阀9的B1口连通油箱，第二个两位三通换向阀10的B2口连通油箱。第一个两位三通换向阀9的A1口分别与第二个两位三通换向阀10的A2口、液压蓄能器12的输油口、溢流阀11的进油口相连通。

变速箱8能实现管柱起升时的两个正挡和一个倒挡，齿轮83、齿轮85空套在输入轴18上，啮合套88位于齿轮83、齿轮85之间，啮合套88的左右拨动，可分别实现齿轮83或齿轮85的挂合，从而实现动力由齿轮84或齿轮86输出，实现两个正挡；齿轮81、齿轮82处于常啮合，齿轮87空套在轴上，啮合套89向右拨动可实现齿轮87的挂合，通过齿轮86输出动力使输出轴反转，从而实现倒挡。变速箱8输出的动力通过联轴器56驱动滚筒15旋转，通过游车大钩16起升管柱。

因为在起升管柱时，管柱的重量是变化的，在逐渐减小。为了更充分利用动力机能量，避免常规修井机上存在的“大马拉小车”现象，配置了三个力挡。在起升小重量管柱时，采用小动力机2与小定量液压泵或马达3组成的小力挡位，在起升中等重量管柱时，采用大动力机1与大定量液压泵或马达4组成的中力挡位，在起升大重量管柱时，采用两个动力机1、2与两个定量液压泵或马达3、4组成的大力挡位。这样可实现“大马拉大车，小马拉小车”，充分利用能量、节约能量。

大力挡位下起升管柱的工作过程如下。离合器61、62都接合，第一个两位三通换向阀9和第二个两位三通换向阀10都置于右位。在起升管柱的辅助作业期间，离合器63分离，滚筒制动器13将滚筒15刹住，第一啮合套73与第二齿轮74上的连接齿相分离，第二啮合套76向右移动实现与第五齿轮77上的连接齿相接和，动力机1、2带动两个定量液压泵或马达3、4工作于“泵”工况向液压蓄能器12中充油，储存能量。在起升管柱时，向左移动第二啮合套76，使其与第五齿轮77上的连接齿相分离，向右移动第一啮合套73，使其与第二齿轮74上的连接齿相接合，选择合适的变速箱挡位，离合器63接合，松开滚筒制动器13，液压蓄能器12中的压力油驱动两个定量液压泵或马达3、4工作于“马达”工况，与动力机1、2一起驱动滚筒15旋转，通过游车大钩16起升管柱。所以动力机1、2的总功率比常规修井机大为减小，大约仅为常规修井机的1/4。

小力挡位下起升管柱、中力挡位下起升管柱与大力挡位下起升管柱的过程类似，只是在小力挡位下起升管柱时，始终将离合器61分离，始终将第二个两位三通换向阀10置于左位；在中力挡位下起升管柱时，始终将离合器62分离，始终将第一个两位三通换向阀9置于左位。

在某一力挡位下起升管柱时，当起升的管柱重量较小时，拨动啮合套88使齿轮85挂合，由齿轮86输出动力，即用变速箱的高挡位快速起升。当起升的管柱重量较大时，拨动啮合套88使齿轮83挂合，由齿轮84输出动力，即用变速箱的低挡位起升。

在下放管柱时，管柱的重量也是变化的，在逐渐增大。一开始下放的管柱重量很轻，此时两个定量液压泵或马达都不接合工作。随着下放管柱重量的增加，将小定量液压泵或马达3接合工作，在小力挡位下回收管柱下放释放出的重力势能。当管柱重量增加到一定程度，将大定量液压泵或马达4接合工作，在中力挡位下回收管柱下放释放出的重力势能。当管柱重量再增加到一定程度，将两个定量液压泵或马达3、4同时接合工作，在大力挡位下回收管柱下放释放出的重力势能，此时回收的重力势能最多。

现以大力挡位下下放管柱为例，说明具体的操作过程。下放管柱时，动力机1，2关机，第一啮合套73与第二齿轮74上的连接齿相分离，第二啮合套76与第五齿轮77上的连接齿相分离，第一个两位三通换向阀9和第二个两位三通换向阀10都置于右位，选择合适的变速箱挡位，松开滚筒制动器13，管柱在本身重力作用下下放入井内，同时使滚筒15转动，滚筒15的转动通过变速箱8、接合的离合器63驱动两个定量液压泵或马达3、4同时转动，此时两个定量液压泵或马达3、4工作在泵工况，向液压蓄能器12中充油，也就是将管柱的重力势能变为液压蓄能器12中的压力能储存起来。这部分回收能量可以重新利用，用其完成辅助作业期间的工作，如完成提升单根作业，带动油管钳上扣，驱动压气机，提供操纵离合器和制动器的能量等。以前这些工作都由动力机完成，现在由回收能量完成，大大节约了能源。

小力挡位下下放管柱、中力挡位下下放管柱与大力挡位下下放管柱的过程类似，只是在小力挡位下下放管柱时，始终将第二个两位三通换向阀10置于左位；在中力挡位下下放管柱时，始终将第一个两位三通换向阀9置于左位。

在某一力挡位下放管柱时，当下放的管柱重量较小时，拨动啮合套88使齿轮85挂合，由齿轮85输出动力，即用变速箱的高挡位下放。当下放的管柱重量较大时，拨动啮合套88使齿轮83挂合，由齿轮83输出动力，即用变速箱的低挡位下放。

Claims (1)

1.转矩耦合式节能石油修井机，包括动力机组、变速箱（8）、滚筒（15）、游车大钩（16）、滚筒制动器（13）、井架（17）、溢流阀（11）、液压蓄能器（12），其特征在于还包括转矩耦合器（7）、小定量液压泵或马达（3）、大定量液压泵或马达（4）、第一个两位三通换向阀（9）、第二个两位三通换向阀（10）；转矩耦合器（7）内安装第一轴（70）、第二轴（78）和第三轴（79）；第一轴（70）上依次固定安装了第一齿轮（71）、安装了第一啮合套（73）、空套安装了第二齿轮（74），第一啮合套（73）可随第一轴（70）同步转动，也可沿第一轴（70）作轴向左右移动；第一啮合套（73）沿第一轴（70）向右移动可实现与第二齿轮（74）上的连接齿相接和；第二轴（78）上固定安装了第三齿轮（75）；第三轴（79）上依次固定安装了第四齿轮（72）、安装了第二啮合套（76）、空套安装了第五齿轮（77），第二啮合套（76）可随第三轴（79）同步转动，也可沿第三轴（79）作轴向左右移动；第二啮合套（76）沿第三轴（79）向右移动可实现与第五齿轮（77）上的连接齿相接和；第一齿轮（71）与第四齿轮（72）相互啮合；第三齿轮（75）同时与第二齿轮（74）和第五齿轮（77）相互啮合；第一轴（70）通过第一联轴器（53）与动力机组相连接；小定量液压泵或马达（3）的轴的一端通过第二联轴器（54）与第二轴（78）相连接，小定量液压泵或马达（3）的轴的另一端与大定量液压泵或马达（4）的轴的一端同轴连接，大定量液压泵或马达（4）的轴的另一端与离合器（63）的主动部分相连接，离合器（63）的从动部分通过第三联轴器（55）与变速箱（8）的输入轴相连接；小定量液压泵或马达（3）的高压油口连通第一个两位三通换向阀（9）的P1口，大定量液压泵或马达（4）的高压油口连通第二个两位三通换向阀（10）的P2口；第一个两位三通换向阀（9）的B1口连通油箱，第二个两位三通换向阀（10）的B2口连通油箱；第一个两位三通换向阀（9）的A1口分别与第二个两位三通换向阀（10）的A2口、液压蓄能器（12）的输油口、溢流阀（11）的进油口相连通。