CN103953298A - 并联转矩耦合式节能修井机 - Google Patents

Abstract

一种并联转矩耦合式节能修井机，由小动力机、大动力机、第一转矩耦合器、第二转矩耦合器、第三转矩耦合器、液压蓄能器、小定量液压泵/马达、大定量液压泵/马达、变速箱、滚筒等部分组成，小动力机通过第一转矩耦合器与小定量液压泵/马达的轴相连接，大动力机通过第二转矩耦合器与大定量液压泵/马达的轴相连接，小定量液压泵/马达、大定量液压泵/马达的轴还分别通过离合器与第三转矩耦合器的一个链轮相连接。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。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定量液压泵/马达、液压蓄能器等部件，成本低。

Description

并联转矩耦合式节能修井机

技术领域

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

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，本发明提供了一种并联转矩耦合式节能修井机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：并联转矩耦合式节能修井机，包括小动力机、大动力机、变速箱、滚筒、游车大钩、滚筒制动器、井架，其特殊之处在于还包括第一转矩耦合器、第二转矩耦合器、第三转矩耦合器、小定量液压泵/马达、大定量液压泵/马达、第一换向阀、第二换向阀、液压蓄能器、溢流阀；第一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；第二转矩耦合器内安装输入轴、输出轴和中间轴；输入轴上依次固定安装了第六齿轮、安装了第三啮合套、空套安装了第七齿轮，第三啮合套可随输入轴同步转动，也可沿输入轴作轴向左右移动；第三啮合套沿输入轴向右移动可实现与第七齿轮上的连接齿相接和；输出轴上固定安装了第八齿轮；中间轴上依次固定安装了第九齿轮、安装了第四啮合套、空套安装了第十齿轮，第四啮合套可随中间轴同步转动，也可沿中间轴作轴向左右移动；第四啮合套沿中间轴向右移动可实现与第十齿轮上的连接齿相接和；第六齿轮与第九齿轮相互啮合；第八齿轮同时与第七齿轮和第十齿轮相互啮合；第三转矩耦合器包括第一链轮、第二链轮和链条，第一链轮和第二链轮通过链条相连接；小定量液压泵/马达的轴的一端通过第一联轴器与第二轴相连，小定量液压泵/马达的轴的另一端与第一离合器的主动部分相连接，第一离合器的从动部分与第一链轮相连接；大定量液压泵/马达的轴的一端通过第二联轴器与输出轴相连，大定量液压泵/马达的轴的另一端与第二离合器的主动部分相连接，第二离合器的从动部分与第二链轮相连接；小定量液压泵/马达的高压油口连通第一换向阀的一个进出油端口，大定量液压泵/马达的高压油口连通第二换向阀的一个进出油端口，第一换向阀的另一个进出油端口分别与第二换向阀的另一个进出油端口、液压蓄能器的输油口、溢流阀的进油口相连通；第二链轮通过第三联轴器与变速箱的输入轴相连接。

在起升管柱的辅助作业期间，动力机带动定量液压泵/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/马达与动力机共同起升管柱。所以动力机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/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/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/马达作为液压泵运转，起升管柱时，定量液压泵/马达作为液压马达运转，只用定量液压泵/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，并联转矩耦合式节能修井机，包括小动力机1、大动力机2、变速箱8、滚筒15、游车大钩16、滚筒制动器13、井架17，它还包括第一转矩耦合器7、第二转矩耦合器9、第三转矩耦合器21、小定量液压泵/马达3、大定量液压泵/马达4、第一换向阀10、第二换向阀11、液压蓄能器12、溢流阀14。小定量液压泵/马达3的排量小于大定量液压泵/马达4的排量。第一转矩耦合器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。第二转矩耦合器9内安装输入轴90、输出轴98和中间轴99；输入轴90上依次固定安装了第六齿轮91、安装了第三啮合套93、空套安装了第七齿轮94，第三啮合套93可随输入轴90同步转动，也可沿输入轴90作轴向左右移动；第三啮合套93沿输入轴90向右移动可实现与第七齿轮94上的连接齿相接和；输出轴98上固定安装了第八齿轮95；中间轴99上依次固定安装了第九齿轮92、安装了第四啮合套96、空套安装了第十齿轮97，第四啮合套96可随中间轴99同步转动，也可沿中间轴99作轴向左右移动；第四啮合套96沿中间轴99向右移动可实现与第十齿轮97上的连接齿相接和；第六齿轮91与第九齿轮92相互啮合；第八齿轮95同时与第七齿轮94和第十齿轮97相互啮合。第三转矩耦合器21包括第一链轮18、第二链轮19和链条20，第一链轮18和第二链轮19通过链条20相连接。小定量液压泵/马达3的轴的一端通过第一联轴器53与第二轴78相连，小定量液压泵/马达3的轴的另一端与第一离合器63的主动部分相连接，第一离合器63的从动部分与第一链轮18相连接。大定量液压泵/马达4的轴的一端通过第二联轴器54与输出轴98相连，大定量液压泵/马达4的轴的另一端与第二离合器64的主动部分相连接，第二离合器64的从动部分与第二链轮19相连接。小定量液压泵/马达3的高压油口连通第一换向阀10的一个进出油端口，大定量液压泵/马达4的高压油口连通第二换向阀11的一个进出油端口，第一换向阀10的另一个进出油端口分别与第二换向阀11的另一个进出油端口、液压蓄能器12的输油口、溢流阀14的进油口相连通。第二链轮19通过第三联轴器55与变速箱8的输入轴22相连接。

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22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1与小定量液压泵/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2与大定量液压泵/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/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。动力机1、2都开机，第一换向阀10和第二换向阀11都置于左位。在起升管柱的辅助作业期间，第一离合器63和第二离合器64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，第三啮合套93与第七齿轮94上的连接齿相分离，第四啮合套96向右移动实现与第十齿轮97上的连接齿相接和，动力机1、2通过联轴器51、52、接合的离合器61、62带动两个定量液压泵/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，向左移动第四啮合套96，使其与第十齿轮97上的连接齿相分离，向右移动第三啮合套93，使其与第七齿轮94上的连接齿相接合，选择合适的变速箱挡位，第一离合器63和第二离合器64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/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，始终将大动力机2关机，始终将第二换向阀11置于右位，始终将第二离合器64分离；在中力挡位下起升管柱时，始终将小动力机1关机，始终将第一换向阀10置于右位，始终将第一离合器63分离。

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/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/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/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/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，第三啮合套93与第七齿轮94上的连接齿相分离，第四啮合套96与第十齿轮97上的连接齿相分离，第一换向阀10和第二换向阀11都置于左位，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、第三转矩耦合器21、接合的第一离合器63和第二离合器64驱动两个定量液压泵/马达3、4同时转动，此时两个定量液压泵/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，始终将第二离合器64分离，始终将第二换向阀11置于右位；在中力挡位下下放管柱时，始终将第一离合器63分离，始终将第一换向阀10置于右位。

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.并联转矩耦合式节能修井机，包括小动力机（1）、大动力机（2）、变速箱（8）、滚筒（15）、游车大钩（16）、滚筒制动器（13）、井架（17），其特征在于还包括第一转矩耦合器（7）、第二转矩耦合器（9）、第三转矩耦合器（21）、小定量液压泵/马达（3）、大定量液压泵/马达（4）、第一换向阀（10）、第二换向阀（11）、液压蓄能器（12）、溢流阀（14）；第一转矩耦合器（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；第二转矩耦合器（9）内安装输入轴（90）、输出轴（98）和中间轴（99）；输入轴（90）上依次固定安装了第六齿轮（91）、安装了第三啮合套（93）、空套安装了第七齿轮（94），第三啮合套（93）可随输入轴（90）同步转动，也可沿输入轴（90）作轴向左右移动；第三啮合套（93）沿输入轴（90）向右移动可实现与第七齿轮（94）上的连接齿相接和；输出轴（98）上固定安装了第八齿轮（95）；中间轴（99）上依次固定安装了第九齿轮（92）、安装了第四啮合套（96）、空套安装了第十齿轮（97），第四啮合套（96）可随中间轴（99）同步转动，也可沿中间轴（99）作轴向左右移动；第四啮合套（96）沿中间轴（99）向右移动可实现与第十齿轮（97）上的连接齿相接和；第六齿轮（91）与第九齿轮（92）相互啮合；第八齿轮（95）同时与第七齿轮（94）和第十齿轮（97）相互啮合；第三转矩耦合器（21）包括第一链轮（18）、第二链轮（19）和链条（20），第一链轮（18）和第二链轮（19）通过链条（20）相连接；小定量液压泵/马达（3）的轴的一端通过第一联轴器（53）与第二轴（78）相连，小定量液压泵/马达（3）的轴的另一端与第一离合器（63）的主动部分相连接，第一离合器（63）的从动部分与第一链轮（18）相连接；大定量液压泵/马达（4）的轴的一端通过第二联轴器（54）与输出轴（98）相连，大定量液压泵/马达（4）的轴的另一端与第二离合器（64）的主动部分相连接，第二离合器（64）的从动部分与第二链轮（19）相连接；小定量液压泵/马达（3）的高压油口连通第一换向阀（10）的一个进出油端口，大定量液压泵/马达（4）的高压油口连通第二换向阀（11）的一个进出油端口，第一换向阀（10）的另一个进出油端口分别与第二换向阀（11）的另一个进出油端口、液压蓄能器（12）的输油口、溢流阀（14）的进油口相连通；第二链轮（19）通过第三联轴器（55）与变速箱（8）的输入轴相连接。