CN105377741A - 绞车系统 - Google Patents

Abstract

实例中绞车可以包括电驱动电动机，和通过所述电驱动电动机驱动的输出轴。蜗轮可联接到输出轴，大齿轮与蜗轮啮合。绳缆卷筒可联接到大齿轮，并从电动驱动器接收旋转。

Description

绞车系统

交叉申请申明

本申请基于并要求提交日为2013年3月20日的美国临时申请No.61/803730的优先权，其全部内容在此引入作为参考。

背景技术

自钻井行业出现以来，绞车单元就在钻机上操作。多年来，绞车单元的功率和速度有一些发展，使其变得更强大，更可控。

在这段时间内，装置的基本结构一直保持大致相同。绞车单元采用了：由电动机单元驱动的变速箱，前者通过变速箱机械地连接到绞车卷筒，用于卷上和卷下钻机的绳缆。随着时间的推移，布置安全装置，以保证安全控制绞车的故障。

典型地，电动机可以是直流(DC)或交流电(AC)驱动器。在更近代，该行业正在向由变频电驱动控制的单比变速箱转变。以前，驱动限制导致了使用可变速变速箱，这需要齿轮改变操作以达到所需的性能。

变速箱设置已发展了很多年，因此变得更加强大和紧凑，但仍然主要基于小齿轮配置，小齿轮传动变速箱的输入连接到所述驱动电机并且其输出连接到绳缆卷筒上。这导致具有较少的设计灵活性的较大尺寸的绞车。另外，目前的小齿轮传动变速箱总是有驱动系统超速的风险。在超速方面，通过绳缆负载产生的扭矩可以“驱动”所述绞车卷筒，这反过来又可以通过变速箱驱动电气驱动器。出于这个原因，用制动系统控制所述卷筒的操作。同样地，如果变速箱有故障而制动系统无效，则卷筒可能在绳缆的负荷下自由运行。

发明内容

根据本公开，作为实施例，绞车可以包括电驱动电动机，和通过所述电驱动电动机驱动的输出轴。蜗轮可联接到输出轴，大齿轮(bullgear)可啮合到蜗轮。绳缆卷筒可联接到大齿轮，并从通过所述大齿轮从电驱动电动机接收旋转。电驱动电动机、蜗轮和大齿轮可包括可拆卸地连接到绳缆卷筒的驱动单元。在某些实施方案中，电驱动电动机可包括可拆卸地连接到工作齿轮的驱动电动机模块。该绳缆卷筒可形成卷筒单元，具有至少一个联接到所述卷筒的插接头(spigot)，卷筒被可移除地联接到所述驱动单元。

本文描述的可提供改进的紧凑性，适用于安装在钻台上，并具有功率密度，以在更小的占地面积具有更大的功率容量和更大的提升容量。在此描述的实施方式中，绞车可以用来精确地控制绳缆的释放和卷绕，特别适用于自动钻探场合。具体而言，通过精确地控制绳缆的进给速率，钻井操作不会由于绳缆释放得太多太快而超载。同样，在绞车绳缆卷筒的卷绕期间的精确控制可以在钻井操作过程中减轻负荷。

另外，本文中描述某些蜗轮，其可能根据对蜗轮的配置和载荷的设置而具有自锁倾向。蜗轮装置的自锁倾向源于该变速箱需要通过输入轴驱动来操作蜗轮。在某些负荷的情况下，较大的大齿轮不能转动蜗轮，变速箱即简单的锁定。因此，在这些负载的情况下，如果驱动系统丢失就存在一些超限的风险，除了蜗轮变速箱的实际故障，如齿轮齿剪切的情况下，将发生灾难性故障。实际故障的风险可以通过使用具有很大安全系数的超负荷的变速箱来减轻，在该点，在故障之前，其他的结构问题例如绳缆破损或柱杆结构坍塌先发生。

此外，绞车的特定的模块化结构在设计、维修和保养方面提供了灵活性。例如，驱动电动机模块可以为电驱动电动机的数量、取向和功率方面提供灵活性，可以包括1150hp和1500hp的交流电动机，它们允许的操作功率范围从1150到高达9000马力。

附图说明

通过以下附图及其说明，更好地来理解本实施例及其优点。

图1是根据本公开利用绞车的示例钻机的示意图。

图2是根据本公开的一个绞车实施例。

图3A-C是根据本公开的另一个绞车实施例。

图4A-C是根据本公开的另一个绞车实施例。

图5A-C是根据本公开的另一个绞车实施例。

图6-12是根据本公开的另一个绞车实施例。

图13和14是根据本公开的另一个绞车实施例。

图15和16是根据本公开的另一个绞车实施例。

图17是说明驱动力和不同的电机配置之间的关系的图表。

图18是说明驱动力和不同的电机配置之间的关系的图表。

具体实施方式

本公开的目的，信息处理系统可以包括任何可操作的媒介或媒介的集合以计算、分类、处理、传输、接收、检索、创建、交换、存储、显示、证明、检测、记录、复制、操作或利用任何形式的信息、智能或数据用于业务、科学、控制或其他目的。例如，信息处理系统可以是个人计算机、网络存储设备、或任何其他合适的设备，并且可以在大小、形状、性能、功能和价格上有所不同。所述信息处理系统可以包括随机存取存储器(RAM)、一个或多个处理资源、例如一个中央处理单元(CPU)或硬件或软件控制逻辑、ROM和/或其它类型的非易失性存储器。所述信息处理系统的附加组件可以包括一个或多个盘驱动器、一个或多个用于与外部设备通信的网络端口、以及各种输入和输出(I/O)设备、如键盘、鼠标、和视频显示。信息处理系统还可以包括一个或多个总线可操作来发送所述各种硬件组件之间的通信。它也可以包括一个或多个能够发射一个或多个信号至控制器、致动器、或类似装置的接口单元。

本公开的目的，计算机可读介质可以包括任何媒介或媒介的集合，其可以保留一段时间数据和/或指令。计算机可读介质可以包括，但不限于，例如存储介质，如直接存取存储设备(例如，硬盘驱动器或软盘驱动器)、顺序存取存储设备(例如，磁带驱动器)，紧致光盘、CD-ROM、DVD、RAM、ROM、电的可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、和/或闪速存储器；以及通信介质、诸如导线、光纤、微波、无线电波、和其他电磁和/或光学载波；和/或前述的任何组合。

本公开的示例性实施例在本文中详细描述。为清楚起见，实际实施的所有特征可能在本说明书中进行描述。当然应当理解，随着任何实际的实施例的发展，许多实施方式决定于具体的实施目标，这将从一个实施例改变到另一个实施例。此外，可以理解，这样的改变可能是复杂和费时的，但是对于本领域普通技术人员在本公开的基础上仍然是例行常识。

本文所用术语“联接”旨在表示间接或直接连接。因此，如果第一设备联接到第二设备，该连接可以是通过直接连接或通过间接机械或电连接经由其它设备连接。类似地，如本文所用术语“通信地联接”是指任一直接或间接通信连接。这样的连接可以是有线或无线连接，诸如，例如以太网或局域网中。因此，如果第一设备通信地联接到第二设备，该连接可以是通过直接连接，或者通过经由其它设备和间接通信连接。如本文所使用的“一个”，在本文中定义是指一个或超过一个。

图1是根据本公开利用绞车2的示例钻机1的示意图。绞车2被安装到钻台3，并且包括从绞车2延伸到皮带轮5的绳缆4，皮带轮5又被称为定滑轮，安装在钻机1上。绞车2可以伸展或回缩皮带轮5上的绳缆4来在地下层8中的钻井孔7内升高和下降钻杆6。具体地，绳缆4可以联接到滑块9，其通过绳缆4的延伸和收缩可以暂停和移动。滑块9接着可通过一个或多个中间机构联接到钻杆6。

绞车2包括绳缆卷筒10，绳缆4围绕其被卷绕。绞车2进一步包括至少一个直接或间接转动卷筒的电动机11a和11b，导致绳缆4伸展或缩回。电动机可以包括，例如，联接到电源(未示出)的电驱动电动机和控制单元(未示出)。在所示的实施例中，定位在卷筒10的相对两侧的电驱动电动机11a和11b，通过在第一方向旋转卷筒10而延伸绳缆4，或在第二方向旋转卷筒10而缩回绳缆4来协同响应控制单元的控制信号。

绞车2还可以包括传动系统，电驱动电动机11a和11b通过该传动系统驱动卷筒10。传动系统可以包括联接到卷筒10以及电驱动电动机11a和11b的齿轮，它们相互作用，从而利用来自驱动电动机11a和11b电动机的动力驱动旋转卷筒10电驱动电动机。根据本公开，传动系统可包括直接或间接联接到至少一个所述电驱动电动机11a和11b的至少一个蜗轮，和直接或间接地联接到卷筒10并与蜗轮啮合的至少一个大齿轮。如将在下面描述的，在传动系统中使用的蜗轮可在绞车2处提供改进的控制和功率响应，以及在某些实施例中可以利用的自锁倾向。

图2是一个根据本公开的示例的绞车布局实施方案。绞车200包括缠绕有绳缆204的绳缆卷筒202。卷筒202的特征在于，具有纵向轴线206，并且包括允许卷筒202绕轴线206旋转的插接头208。插接头208可在卷筒202的长度延伸或相对于所述轴线206在卷筒202的第一端210联接到卷筒202。卷筒202还可以包括第二插接头(未示出)或插接头208的延伸部分，其相对于所述轴线206在卷筒202的第二端212延伸的插接头。

绞车200还包括驱动单元214，其包括四个电动机电动机214a-d，每个可以包括电驱动电动机，例如可变频率驱动电动机。如可以看到的，每个电动机214a-d可包括指向卷筒202的第二端212的单独的电源/控制器250a-d。一些或所有电动机214a-d中可包括安装支架252。在所示实施例中，电动机电动机214a-d都定位在卷筒202的一侧上，其中电动机214a和214b的定位靠近卷筒202的第二端212，电动机214c和214d的定位靠近卷筒202的第一端210。电动机数量和电动机的相对于该卷筒202的端部210和212、卷筒202的侧面的定位可以改变，这取决于应用场合。

电动机214a-d使用传动系统来带动卷筒202旋转，传动系统包括至少一个联接到电动机214a-d的蜗轮216和至少一个啮合到蜗轮216的大齿轮218。在图示实施例中，电动机可以带动卷筒202旋转，大齿轮218联接到卷筒202的插接头208，并且响应于蜗轮216的旋转运动使卷筒202绕轴线206旋转。蜗轮216可以绕一纵向轴线旋转，该纵向轴线垂直于轴线206。如可以看到的，该传动系统可以包括一个以上的大齿轮，可具有在第二端212连接到卷筒202的第二大齿轮220。

根据本公开，蜗轮216可以通过直接或间接地联接到一个或更多的电动机214a-d而被驱动。在示出的实施例中，蜗轮216通过一个小齿轮变速箱222间接连接到两个电动机214c和214d并被驱动。如可以看到的，每个电动机214c和214d可驱动联接到小齿轮变速箱222内的齿轮228和230的相应输出轴224和226。小齿轮变速箱222内的齿轮228和230的旋转运动，在输出轴232处产生蜗轮216的旋转运动。因此，由电动机214c和214d产生的旋转运动可以被用于旋转卷筒202和控制绳缆204如何延伸。

类似的传动系统可以相对于电动机214a和214b以及大齿轮220来加以使用。具体地，电动机214a和214b可被联接到并驱动第二小齿轮变速箱234，从而使用第二蜗轮(未示出)通过第二大齿轮220驱动卷筒202。在某些实施方案中，电动机214a-d可被连接到单个控制器，以“数字传动”的配置来确保所有电动机同等响应控制输入，以执行同步操作。虽然图示了具有由多个电动机驱动的多个小变速箱的绞车实施例，但其他实施例也是可能的，包括：用由单个电动机驱动的单个小齿轮变速箱电动机来驱动单蜗轮/大齿轮配置。

除了改变电动机和变速箱，所述电动机和变速箱相对于卷筒的相对取向可基于设计的考虑而改变。图3A-C示出根据本公开另一示例绞车的实施方案。如可以看到的，比较图2的实施例，电动机301a-d已被翻转，如图所示，电动机301a-d的安装托架352a-d朝上，电源/控制器350a-d朝向卷筒305的第一端320。尽管电动机301a-d被转动，它们还是利用了类似于图2中的传动系统，具有配置成驱动小齿轮302b的电动机301a，301b、配置成驱动小齿轮302a的电动机301c和301d、配置成分别驱动蜗轮303a和303b的小齿轮302a和302b的输出轴、和配置成驱动相应大齿轮304a和304b的蜗齿轮303a和303b，两个大齿轮304a和304b都连接到卷筒305。图4A-C示出了一个类似的绞车布置，其中电动机401a-d采用另一取向，但还利用类似上述的那些小齿轮402a和402b。

虽然图2-4C的绞车实施例利用了四个电动机，但具有更少或更多电动机的实施例也是可能的。图5A-C示出根据本公开的又一绞车实施方案，其包括六个电动机501a-f，附加的电动机提高了卷筒506的功率输出。如可以看到的，该实施方式包括两组小齿轮502a和502a，类似于上面的实施例，每组小齿轮由三个电动机驱动，而不是两个。具体而言，电动机501a，501b和501f驱动小齿轮502b，而电动机501c，501d和501e驱动小齿轮502a。值得注意的是，电动机501a-f被布置成使得所得到的绞车500的配置的占地面积与上述实施方式的占地面积相同。因此，绞车的动力输出可通过钻机上的绞车占据的空间的增加来提高。

迄今实施例中描述的绞车包括驱动电动机和蜗轮之间的小齿轮变速箱，但其他的实施例包括驱动电动机和蜗轮之间的直接连接。这可以有利地导致缩小的传动系统，该系统可以进一步降低绞车的占地面积。图6-12示出根据本实施例的绞车600的各示意图。例如，图6示出绞车600由外壳602包围，而图7-12示出了不同视角的未封闭绞车600。像上述的实施例中一样，绞车600包括有至少一个电驱动电动机604和606的驱动装置，卷筒其通过联接到电驱动电动机的至少一个蜗轮(未示出)电驱动电动机和卷筒和啮合于蜗轮并连接于卷筒608的大齿轮(未示出)来驱动卷筒608。然而，不同于上述实施例的是，绞车600不使用小齿轮，而是使其主要元件集合成模块单元，该模块单元可以单独组装、拆开和替换，无需拆开和替换其它模块单元。这就是说，下面描述的模块化可在任何本文所述的绞车的实施例中使用。

在所示实施例中，模块化单元可以包括卷筒单元660和驱动单元670。卷筒单元660可以包括卷筒608和至少一个连接到卷筒608一端的插接头。在该所示实施例中，卷筒单元660包括从卷筒608的相对两端伸出的两个插接头610和612，插接头610和612可与卷筒一体地形成，或者可以包括例如通过螺栓可拆卸地连接到卷筒608可互换的插接头单元。像上述的卷筒一样，卷筒608的特征可以是纵向轴线650，所述插接头610和612可以允许卷筒608绕轴线650旋转。

卷筒单元660可以包括至少一个基座轴承单元，它允许所述卷筒608绕轴线650平稳地转动。在所示实施例中，绞车600包括两个联接至主平台618的基座轴承单元614和616，分别支撑插接头610和612的底座轴承单元614和616使卷筒608旋转。在高负荷需要时，基座轴承单元614和616可以包括典型的柱状体(PillarBlock)轴承单元或特别制造的轴承座。在操作过程中，卷筒单元660可从基座轴承单元614和616被移除，而不需要拆卸驱动单元670。

驱动单元670可以包括至少一个电驱动电动机和蜗轮，并且可以例如通过螺栓可拆卸地联接到卷筒单元660。在示出的实施例中，驱动单元670包括电驱动电动机604和606，以及含有蜗轮(未示出)和与蜗轮啮合的大齿轮(未示出)的、类似于上述的蜗轮变速箱620。驱动单元670可以例如在基座轴承单元614和蜗轮变速箱620之间的接口622，或在基座轴承单元614和卷筒608之间的接口624，可拆卸地联接到卷筒单元660卷筒。特别是，卷筒单元660的插接头610可在上述接口之一被联接到蜗轮变速箱620内的大齿轮，以允许产生于电驱动电动机604和606的旋转被传递到卷筒608。值得注意的是，通过在蜗轮变速箱620和插接头610之间提供可拆卸的联接，卷筒单元660可以无需拆卸驱动单元670进行拆卸和更换，就如同无需拆卸卷筒单元660就能拆卸和更换蜗轮变速箱620。

所述的电驱动电动机604和606各自可以通过输出轴626和628分别联接到蜗轮变速箱620内的一个或多个蜗轮。电驱动电动机604和606可以使各自的输出轴626和628旋转，进而又使连接到输出轴626和628的蜗轮旋转。如上所述，蜗轮变速箱620内的大齿轮可与蜗轮啮合，由电驱动电动机604和606驱动的蜗轮的旋转可导致所述大齿轮和联接到所述大齿轮的卷筒单元606旋转。

在所示实施例中，电驱动电动机604和606被结合到电驱动输入电动机的模块，其可以包括驱动单元670的子模块。电驱动电动机604，例如，可并入包括电动机604和联接到电动机604的电动机基座630的模块。类似地，电驱动电动机606可并入到包括电动机606和联接到电动机606的电动机基座632的模块。电动机基座630和632可被可拆卸地连接到主基座618中，使两个电动机604和606可在改变主基座的布置时被换出。此外，输出轴626和628可以可拆卸地联接到蜗轮变速箱620，从而允许电动机604和606从蜗轮变速箱620断开，连接新的变速箱，而不会影响蜗轮变速箱620的放置和配置。相反地，蜗轮变速箱620可从电动机604和606断开，并更换新的蜗轮变速箱，而不会影响电动机604和606的配置和放置。

蜗轮变速箱620可被认为是自锁的，但在一定条件下(齿轮的几何形状和比率)，该大齿轮可在载荷条件下驱动蜗轮。在这种情况下，反向驱动可能导致蜗轮变速箱620成为减速单元，即被施加的用来转动大齿轮的力通过该传动系被减小，从而给转动提供自然的阻力。转动的阻力对绞车的整体制动功能是有益的，就如同(如果需要的话)可采用更小的动态制动装置。或者，可以通过电驱动电动机来再生制动。

在所示的实施例中，绞车包括制动器634，制动器634可以包括制动转子(盘式)和一个或多个夹紧在插接头612上的制动卡钳，以防止卷筒608旋转。在某些实施方案中，所述制动卡钳可以被配置为“弹簧开启，液压关闭”，这意味着在操作期间，需要液压动力来阻止卡钳制动。在有液压动力损失的情况下，机械弹簧操作可自动地接合卡钳与转子，从而防止卷筒的任何进一步旋转，直到电源恢复。在某些实施方案中，制动转子可直接连接到卷筒单元670。

其它实施例中，绞车的电驱动电动机和蜗轮之间的直接连接也是可能的，包括电驱动电动机的取向和数量不同的实施例。图13和14示出了这种实施例两个视图。特别是，图13和14示出了与上述描述类似的绞车700，其包括卷筒单元702、基座轴承单元704和706、蜗轮变速箱708和电驱动电动机710。如可以看到的，蜗轮变速箱708和电驱动电动机710的取向已被更改，使得电驱动电动机710被取向为垂直紧挨着蜗轮杆变速箱708，并安装在主平台712上。在某些实施方案中，附加的设备可以加入以补充或增强卷筒和电动机，例如用于变速箱708的油冷却器和用于电驱动电动机710的风机。图15和16示出了类似的布置，其中两个电驱动电动机802和804垂直地布置在蜗轮变速箱806的两侧，在卷筒单元806的一侧。

图17和18是表示使用具有不同额定功率的不同数量的驱动电动机在绞车处获得驱动力的图表。特别是，图17和18表明，绞车的驱动力可以通过在绞车卷筒的另一端加入第二驱动单元来增加，或通过改变驱动电动机的功率大小。例如，图17表示用1150马力的电动机，而图18示出了使用1500马力的电动机。也可使用具有不同的马力的其他电动机布置，如3000马力电动机。通过配置驱动电动机和额定功率的数量，绞车可定制，以适应特定的驱动和提升的要求。图17和18示出了可以实现的功率的典型范围，虽然其他的范围可以通过公开的实施例来实现。

本文描述的实施方案中，结合用于电动机的变频驱动(VFD)，各绞车的实施例可确保用预定的加速和减速循环来对驱动周期进行精确地控制，这样就克服了需要动态制动器以协助阻滞卷筒的问题。如图17和18所示，电动机根据施加的提升负载来配置大小和容量。在需要较高容量的情况下，第二驱动单元可被添加到卷筒单元的相对侧。由于蜗轮大齿轮变速箱的非常动作提供了自动的制动操作，为了变速箱的正常工作，必须接合主动力(例如，交流电动机)。利用VFD的技术，可以在顺时针或反时针方向精确地控制卷筒的旋转动作。此级别的控制增强了绞车被用作自动钻机的能力，因此通过控制钻管的进料速率(通过提升操作)，可以更清楚地限定和维持钻孔参数。例如，如果钻井过程中阻力增大，钻头上的负载可以通过降低钻井设备(通过提升)的进给速率而降低。以这种方式，钻井操作被精密控制，减少了磨损和破损的问题。

上述实施方式的另一个优点是，可以通过90度转动驱动轴线来实现单元总长度的减少。此外，在变速箱单元的任一侧提供所述驱动电动机允许驱动器选择的灵活性，还允许定制驱动器以适应不同应用场合。

尽管本发明及其优点已经详细描述，但应当理解，在这里各种变化，替换和变型可以在不脱离本发明的精神和范围由下面的权利要求所限定。

Claims (20)

1.一种绞车，包括：

电驱动电动机；

联接到电驱动电动机的蜗轮；

与蜗轮齿轮相啮合的大齿轮；以及

联接到所述大齿轮的绳缆绳缆卷筒。

2.根据权利要求1的绞车，还包括第二电驱动电动机。

3.根据权利要求2所述的绞车，其中电驱动电动机和第二电驱动电动机采用数字传动。

4.根据权利要求2所述的绞车，其中所述第二电驱动电动机被联接到第二蜗轮。

5.根据权利要求4所述的绞车，其中第二蜗轮与大齿轮啮合。

6.根据权利要求5所述的绞车，其中所述电驱动电动机和第二电驱动电动机被定位在所述绳缆卷筒的相对侧。

7.根据权利要求4所述的绞车，其中第二蜗轮与联接到所述绳缆卷筒的第二大齿轮啮合。

8.根据权利要求1所述的绞车，还包括联接到绳缆卷筒的制动模块。

9.根据权利要求8所述的绞车，其中所述制动模块包括制动转子、一个或多个制动卡钳、以及用于接合所述一个或多个制动卡钳与制动转子的机械弹簧。

10.根据权利要求1所述的绞车，其中所述电驱动输入电动机可以通过电气控制被锁定在位。

11.根据权利要求1所述的绞车，其中所述电驱动电动机是可变频率驱动电动机。

12.根据权利要求1所述的绞车，其中所述电驱动电动机通过小齿轮变速箱联接至所述蜗轮。

13.绞车组件，包括：

驱动单元，包括一个或多个联接到蜗轮的驱动电动机；

卷筒单元，可拆卸地联接到所述驱动单元，并且包括配置成接收来自所述蜗轮的旋转运动的绳缆卷筒；

一个或多个基座轴承单元，支撑并可拆卸地连接到所述绳缆卷筒。

14.根据权利要求13所述的绞车组件，其中所述卷筒单元还包括一个或多个驱动插接头。

15.根据权利要求14所述的绞车组件，其中一个或多个基座轴承单元接合到一个或多个驱动插接头以向所述卷筒单元提供旋转。

16.根据权利要求13所述的绞车组件，其中一个或多个驱动电动机包括一个或多个可拆卸地连接到蜗轮的驱动电动机。

17.根据权利要求16所述的绞车组件，其中，一个或多个电驱动电动机模块产生基于负载要求所选择的组合的马力额定值。

18.根据权利要求13所述的绞车组件，其中，所述蜗轮被定位在所述驱动单元的蜗轮变速箱中，所述蜗轮变速箱可拆卸地连接到所述一个或多个驱动电动机和所述卷筒单元。

19.一种用于控制在钻井操作中的绳缆的方法，包括：

通过使用联接到蜗轮的电驱动电动机来使蜗轮旋转；

在与蜗轮啮合的大齿轮处接收所述蜗轮的旋转；和

大齿轮向联接到蜗轮的绳缆卷筒传递蜗轮的旋转。

20.根据权利要求19所述的方法，其中通过联接到蜗轮的电驱动电动机旋转所述蜗轮包括：使用在电驱动电动机和蜗轮之间的小齿轮变速箱来使蜗轮旋转。