CN105916797A - 行星齿轮组件 - Google Patents

Abstract

一种行星齿轮箱或驱动器(48)，和齿轮箱与驱动器马达的布置，允许电的、光的或其他类型的电缆或电线通过行星齿轮箱延着行星齿轮箱的旋转轴被传递。行星齿轮箱驱动或旋转，例如，缠绕管的卷筒(30)。电的、液压的、光的和其他类型的线缆，用于通过缠绕管降低进入井口，通过穿过行星齿轮箱的中心的通道传递，进入卷筒的轮毂的一端，并且然后进入插入在井孔中的缠绕管中。卷筒的轮毂的另一端能够被连接到旋转接头，旋转接头可以被连接到泵，用于将流体泵送进入缠绕管。

Description

行星齿轮组件

技术领域

本发明一般涉及行星齿轮，并且更具体地涉及为缠绕管注入机(coiled tubing injector)传送缠绕管的卷筒以及由行星齿轮系统驱动的类似的机械装置。

背景技术

缠绕管油井干涉在石油生产工业中已为众人所知多年。通常超过15,000英尺的超长长度的钢管，通过将其缠绕在大型卷筒上来操作，这解释了缠绕管的名字来由。管道卷筒不能被用作绞车卷筒。将其用作绞车产生的压力将损坏管道。在石油工业中可被接受的解决方案是，将管道依其需要从卷筒上拉出，并将管道围绕弯曲的导拱传递，以便管道与井孔位于共同的垂直轴线。为了将管道移动进出井孔，一种称为缠绕管注入机的装置被暂时地安装在井口上方，在导拱的下方。缠绕管注入机的实例包括在美国专利申请号5,309,990、6,059,029和6,173,769中展示和描述的内容，在此通过引入的方式并入本文。

卷取张力由管道卷筒驱动系统控制，并且无论注入机头部是正在将管道送入还是送出油井，或者无论注入机头部是正在拉动还是突然停止，都能大致保持恒定不变。卷取张力与管道重量及管道在井孔中承载的有效载荷相比是微不足道的，因此不会危及到管道的完整性。

虽然实现这个目标的其他方法是已知的，但是用于油井干涉和钻井的注入机头部使用多个链环，在链环上安装用于夹持管道的夹持器。这样的注入机头部的实例有许多。大多数都依靠辊链和匹配的链轮齿的形式作为将驱动从驱动轴传送至链环组件的方式。对于操作油管的注入机头部，它将夹持管道的夹持器从相对的两侧推动，然后通过旋转同时移动夹持器，以将管道移动进出井孔。

缠绕管卷筒组件包括用于支撑在其上存储管道的卷轴的支架，用于旋转卷筒并在操作卷筒的期间产生反向张力的驱动系统，以及当管道从卷轴上解开和缠绕在卷轴上时，引导管道的“水平缠绕”系统。水平缠绕系统将管道在卷筒上横向地移动，以至于管道以整齐并且有序的方式横置在卷筒上。缠绕管卷筒组件必须旋转卷轴以将管道送入注入机和井孔以及从注入机和井孔送出。缠绕管卷筒组件还必须在正常运行期间通过始终牵引注入机而拉紧管道。注入机必须施加与张力反向的力，从管道卷筒取出管道，并且当管道被注入机从井孔拉出时，卷筒必须具有足够的牵引力和速度，以跟上注入机并保持在管道上的张力。在管道上的张力必须总是保持在足以适当地缠绕管道在卷轴上并且保持管道缠绕在卷轴上的量。

虽然卷轴可借助于链条和安装在缠绕管卷轴的轮轴上的链轮齿旋转，但是行星齿轮驱动器通常被用于旋转卷轴。行星齿轮驱动器能够在没有链条和链轮齿的重量和开销的情况下，以低速传送高转矩。封闭式中心行星齿轮驱动器通常是优选的。这样的驱动器的所有部件围绕旋转中心对称安装，包括驱动马达，其可以是电动的或液压的。

在典型的布置中，行星齿轮驱动器的输出支撑卷筒的一端，直接连接到卷筒的轮轴。整体制动器通常被装配到行星驱动器，以提供停驻制动器，用于在驱动马达未通电时防止所存储的管道的解开。行星齿轮传动装置也称为周转齿轮传动装置。行星齿轮传动装置包括一个或多个齿轮，称为行星齿轮，它们围绕着称为太阳齿轮的中心齿轮旋转。行星齿轮被安装到载体上，该载体可相对于太阳齿轮旋转。一个外部齿轮传动装置，称为环(anulus)，与行星齿轮啮合。行星齿轮传动装置可以是单一的或复合的。一个单一的行星齿轮具有一个太阳，一个环(ring)，一个载体和一组行星齿轮。一个复合的行星齿轮具有更复杂的结构。复合结构的例子有很多，不胜枚举。在缠绕管卷筒应用中，行星齿轮驱动器起到减速齿轮传动装置的作用，例如从液压马达获取相对高速和低转矩输入，并提供与卷筒的轮毂耦合的相对低速和高转矩的输出，其中，行星齿轮传动装置的输入与其输出及卷轴同轴旋转。

流体旋转接头连接到卷筒的轮轴的另一端，用于将流体源耦合至缠绕在卷筒上的缠绕管。因为行星齿轮驱动器被连接到卷轴的中心轮轴的一端，并且流体轮轴被连接到另一端，所以同心的旋转部件或滑环组件被用于将电器和其他电线运行入缠绕管中，以将电信号发送给传感器和其他连接至缠绕管的端部的设备以及从传感器和其他连接至缠绕管的端部的设备接收电信号。同心的旋转部件必须有足够地大的内部中心，能够被拔出以穿过卷筒的轮轴。或者，为避免必须并入同心的旋转环，会使用链条和链轮齿。

发明内容

本发明一般涉及改进的行星齿轮箱或驱动器，和齿轮箱与驱动器马达的布置，允许电的、光的、液压的或其他类型的电缆、电线、或线缆被传递通过行星齿轮箱。当行星齿轮被连接到缠绕管的卷筒的一端，电缆能直接通过行星齿轮箱传递进入卷筒的轮毂的一端，然后进入注入在井孔的缠绕管的端部，而卷筒的轮毂的另一端被连接到旋转接头，旋转接头能被连接到泵，用于将流体泵送进入缠绕管。

在一个代表性的实施例中，导管通过行星齿轮箱壳体的中心和它的太阳齿轮延伸，所述导管的轴线与行星齿轮箱的输入和输出的旋转轴线对齐，输出被耦合至例如缠绕管卷筒的轮轴。从行星齿轮的中心轴线偏移的驱动马达的输出轴，被耦合至行星齿轮箱的旋转输入，通过，例如，一个或多个齿轮、链条，或其他的方式，用于将驱动马达的输出轴耦合至行星齿轮箱的输入。

附图说明

图1是展开在井场的缠绕管单元的一个代表性实施例的侧视图，其中具有安装在拖车上的冷却管道卷筒组件，将缠绕管运输进入连接至在井口顶部的隔水管(riser)的缠绕管注入机。

图2是包括支架和卷轴的缠绕管卷筒的部分截面的侧视图。

图3是图2的侧视图的放大部分，示出了行星齿轮驱动器的细节。

具体实施方式

在以下说明性实施例的详细描述中，涉及了形成本文一部分的附图。这些实施例被足够详细地描述以使本领域的技术人员能够实践本发明，并且应当理解，在不偏离本发明的情况下，其他实施例可以被利用，并做出逻辑结构的，机械的，电的以及化学的变化。在以下的附图和描述中，相同的部件通常在整个说明书和附图中被分别使用相同的附图标记标注。附图可以不是按比例的。本发明的某些特征可以在比例上或以示意的形式放大显示，并且常规的元件的细节可以为了清楚和简明而省略。术语“包括”和“包含”旨在包容的或开放式的，而不是排他性的。除非另外指出，如本文通篇使用的，“或”不要求互斥性。

除非另外指明，术语“连接”、“啮合”、“耦合”、“附着”任何形式的任何使用，或描述元件之间的相互作用的任何其他术语并不意味着限制元件之间的直接接触的相互作用，除非上下文清楚地指出除外。它可以包括元件之间的间接相互作用。短语“液压地耦合”，“液压地连接”，“以液压连通”，“流体耦合”，“流体连接”和“流体连通”指的是关于流体的耦合、连接或连通的形式，并且相应的流量或压力与这些流体有关。关于流体耦合、连接、或两个组件之间的流体连通描述了允许流体在组件之间流动的装置。液压耦合、连接或连通的部件可以包括某些装置，其中流体不在组件之间流动，但在其中的流体的压力可以例如经由隔膜或活塞被传送。类似地，电耦合、连接、或两个或多个部件之间的电连通描述了允许通过一个或多个电路或电磁波在部件之间传输信息的装置。术语“密封”、“密封件”、“密封啮合”、和“密封耦合”并不意图暗示完美的密封件，或在任何情况下工作的密封件的形成，除非上下文另有说明。

图1示出了缠绕管注入机单元的一个实施例。该实施例并不是为了成为限制。它旨在通常地成为缠绕管注入机单元和它们的组件的代表。缠绕管的卷筒10安装在拖车11上用于运输到现场。缠绕管注入机、控制舱和用于操作注入机的其他设备有时统称为一个“缠绕管单元”，并且通常在图中用附图标记12指代。当缠绕管14从卷筒上解开，或缠绕回卷筒上，它通过管道支撑引导件16被引导跟缠绕管注入机的链条对齐。由于这样的引导件通常是拱形的，因此它们有时被称为“鹅颈”支撑件。当缠绕管注入机被展开时，引导件被连接到缠绕管注入机的框架上，从而在操作注入机时，引导件与缠绕管注入机有固定的关系。通常，引导拱形件被定位或定向，从而使得缠绕管在它的旋转链之间被插入注入机头部的顶部，或者，可选地，缠绕管被插入安装于在注入机头部的顶部的框架上的矫直机，用于在管道进入注入机头部之前除去管道的弯曲。(如在本说明书中所使用的，“缠绕管注入机”指的是具有或没有矫直机的注入机，除非上下文另有指明。)当卷筒被解开或缠绕时，它必须保持缠绕管上的张力以将管道缠绕在卷筒上，并且保持管道缠绕在卷筒上。引导拱形件防止缠绕管被弯曲或被卷筒施加在管道上的张力损坏。然而，引导拱形件通常以允许其在不同的位置或方位被附着或连接的方式，连接到缠绕管注入机的框架上。例如，最好的方位或方向可以取决于所使用的管道的直径，和管道是被降低，或被推入井孔，或被拉出井孔。当管即将脱离卷筒，它比它被从井中拉出时相对更加弯曲，这样可能会影响引导拱形件固定到注入机上。因此，“固定的关系”并不意味着不允许调整的关系。

在使用时，缠绕管注入机被放置在井口上，足够高以容纳一个或多个防喷器20、隔水管22，和其他可能被连接至井口的，缠绕管在进入井孔前必须经过的设备。隔水管由直管的一个或多个部分组成，直管从连接在井口的防喷器延伸。隔水管用于容纳在缠绕管被降低进入井孔前，被连接在缠绕管的端部的细长刚性工具。使用剥离器(stripper)将缠绕管注入机连接至隔水管，通过剥离器推动或拉动缠绕管。由于没有井架或平台，在井口上方建立的临时结构，或被驾驶到现场的移动式起重机，用于放置和保持注入机在合适的位置。

缠绕管卷筒组件包括用于支撑在其上存储管道的卷轴的支架，用于旋转卷筒并在操作卷筒的期间产生反向张力的驱动系统，以及当管道从卷轴上解开和缠绕在卷轴上时，引导管道的“水平缠绕”系统。水平缠绕系统将管道在卷筒上横向地移动，以至于管道以整齐并且有序的方式横置在卷筒上。缠绕管卷筒组件必须旋转卷轴以将管道送入注入机和井孔以及从注入机和井孔送出。缠绕管卷筒组件还必须在正常操作期间通过始终牵引注入机而拉紧管道。注入机必须施加与张力反向的力，从管道卷筒取出管道，并且当管道被注入机从井孔拉出时，卷筒必须具有足够的牵引力和速度，以跟上注入机并保持在管道上的张力。必须总是保持在管道上的张力。张力还必须足以适当地将管道缠绕在卷轴上，并足以保持管道缠绕在卷轴上。因此，缠绕管卷筒组件受到相当大的力和负荷。在历史上，缠绕管卷筒组件已经与所需要的缠绕在卷轴上的缠绕管被运送到油井，并且卷轴安装在卷筒组件上。这样的卷轴是专门为了特别的卷筒组件设计的，通常并不意味着在正常操作期间与卷筒组件不连接或从卷筒组件中移除。然而，存在允许从卷筒组件中移除卷轴的系统，例如在美国专利申请第6,672,529号中示出的系统，在此通过引用并入本文。

高容量、自行式的起重机26用于在井维修作业期间提升和保持缠绕管注入机18和引导拱形件在适当的位置。起重机通常与缠绕管卷筒10的井口相对地放置，或者，如果必要，可以放置在一侧。注入机和管道的一些或所有的重量被转移到起重机的臂架上。

图2和图3是具有行星齿轮驱动器的缠绕管卷筒组件的一个代表性实施例的部分截面侧视图。在该图中没有示出缠绕管环绕在卷筒之上。卷筒的轮毂的细节已被省略。卷筒组件30包括安装在支架上的卷轴32，支架通常用附图标记34表示。卷轴由中心部分，或滚筒36，左法兰或左轮缘38，和右法兰或右轮缘40组成。支架由框架42(部分示出)组成。滚筒被支柱的框架46连接到中心轮毂。轮毂44在本实施例中具有中空的圆柱形状。它与卷轴一起旋转。轮毂44由支架的框架42支撑在相对的两端，以便它可以在被转动的时候在支架上旋转。

行星齿轮驱动器，通常用附图标记48指代，直接安装在轮毂44的一端内。行星齿轮驱动器的外部壳体50，作为行星齿轮驱动器的输出，在本实施例中与轮毂44连接，通过将其固定在轮毂的开口端的内部，并且连接至端部法兰52。行星齿轮驱动器48被连接到在法兰54上的支架，法兰54是框架42的一部分。行星驱动器的输入是轴56，它被连接到太阳齿轮58。轴56旋转太阳齿轮。它由前径向轴承60和后径向轴承62支撑。轴从行星齿轮箱驱动器的一侧延伸至另一侧。穿过轴的中心形成中空的通道或导管64，具有外部或前开口66和内部或后开口68。虽然驱动轴被表示为一个单一的部件，但它可以包括多个共轴元件，这些共轴元件一起旋转并共同地形成导管，该导管限定了沿着行星齿轮驱动器的旋转轴延伸的单一通道，这适应于或在其他方面适用于将电缆或光缆沿着行星齿轮的旋转中心轴从行星齿轮的一侧传递至行星齿轮的另一侧。行星齿轮的旋转中心轴与卷轴32(和轮毂44)的旋转中心轴一致，用虚线69表示。导管可以因此由一个或多个结构部件或部分组成。术语“导管”并不意图暗示单个长度的管。尽管图中未示出，用于供电或控制井下工具，或用于从传感器传递信号的电缆、液压控制线缆，或光缆(每个统称为“线缆”)，可以通过导管64被传送，以插入环绕在卷轴32上的缠绕管的一端(未示出)。导管70可以用于将线缆导向轮毂的相对侧，在该处线缆将离开并被传送入缠绕管的开口端，缠绕管的开口端不会被连接到出口74。或者，线缆可以通过一个装置(未示出)被输送或输入，该装置连接至流体轮轴72的出口74，并允许线缆被送入缠绕管，或允许流体被通过缠绕管泵送，或者两者均允许。线缆也可以用于供电或控制卷轴32上的装置，例如用于关闭缠绕管和流体轮轴72之间的连接的阀。

轮毂44的另一端被连接到流体轮轴72上。流体轮轴被安装到在法兰73上的支架的框架42上。缠绕管可以被连接到管76的出口74，以允许流体被泵送通过缠绕管。管76耦合至旋转接头78，以便管76可以相对于该接头旋转。在卷轴外部的高压流体源被连接到旋转接头78的固定侧。

驱动马达80被耦合至输入轴56。驱动马达被偏移以形成输入轴56的轴，允许进入导管64的开口66。驱动马达，在本实施例中，通过由齿轮82和齿轮84组成的齿轮系，耦合至输入轴。齿轮82连接至驱动马达80的输出轴，并且齿轮84连接至输入轴56。在本实施例中，齿轮形成在输入轴56上减速和增加转矩的减速齿轮系。可选地，一个以上的驱动马达可以通过在输入轴56周围设置驱动马达而被利用，每个驱动马达以排列的方式放置在输入轴的旋转轴的一侧，每个驱动马达通过一个齿轮系耦合至输入轴。驱动马达可以是液压的和/或电动的。

驱动马达的旋转转动输入轴56，从而转动太阳齿轮58。太阳齿轮58旋转行星齿轮86和行星齿轮88。行星驱动器可以可选地仅有一个行星齿轮。它也可以有两个以上的行星齿轮。在本实施例中，行星齿轮可旋转地安装在载体90的臂上，载体90被连接至框架42的法兰54。太阳齿轮58是可组装的，或整体形成的，是具有至少两个臂92和94的载体。行星齿轮96和行星齿轮98分别被安装在臂92和臂94上。行星齿轮86、88、96和98与一个在壳体50的侧部形成的环或外部齿轮啮合，导致它在输入轴被旋转的时候旋转。与行星齿轮驱动器48成为一体的是制动器102。该制动器的一部分安装在输入轴56上，另一部分安装在固定的载体90上。

行星齿轮驱动器48的绘制是简化的，以展示行星驱动器的代表性元件。它只是复合行星齿轮的一个例子。它意在仅仅成为代表性的，而不是限制性的关于行星齿轮驱动器或行星齿轮箱的例子，通常是为了说明操作行星齿轮驱动器或行星齿轮箱的基本原理，以及关于通过行星齿轮装置的中心延伸以允许电缆或电线通过的导管66。

在一个替代的实施例中，卷筒支架组件被更改为包括在卷轴和支架之间的连接件，以允许相对更快地从支架上移除卷轴。在这个实施例中，行星驱动器被连接到外部连接件(例如一个轮轴)以及卷轴的轮毂被连接到内部连接件。导管或通道66的与行星齿轮同轴的延伸部分，通过连接件的两部分延伸，并进入卷轴的轮毂。

上述描述是示例性和优选的实施例。本发明，由所附的权利要求限定，并不限于所描述的实施例。对所公开的实施例的改变和修改可以在不背离本发明的情况下做出。在本说明书中使用的术语的含义，除非另有说明，意在表明普通和通常的含义，并不意在被所说明的结构或实施例的细节限制。

Claims (18)

1.一种驱动器组件，包括：

具有至少一级的行星齿轮箱，所述行星齿轮箱包括与太阳齿轮耦合的输入轴和与环形齿轮耦合的旋转的输出，所述太阳齿轮和所述环形齿轮通过至少多个行星齿轮耦合；其中所述输出位于所述行星齿轮箱的背侧，与所述行星齿轮箱的前侧相对，所述输入轴位于所述前侧，并且所述输入和所述输出中每一个都能够围绕共同的轴旋转；

中空的通道，通过所述输入轴从所述行星齿轮箱的所述前侧延伸至所述行星齿轮箱的所述背侧，在所述通道的每一端具有开口；和

耦合至所述输入轴的至少一个马达，所述至少一个马达从所述行星齿轮组的所述共同的轴偏移，位于不会遮挡所述通道的所述开口的位置。

2.根据权利要求1所述的驱动器组件，进一步包括至少一个电的、液压的或光的线缆，通过所述通道延伸。

3.根据权利要求1或2所述的驱动器组件，其中所述至少一个马达通过一个或多个齿轮，耦合至所述行星齿轮组的所述输入。

4.根据权利要求3所述的驱动器组件，进一步包括通过多个齿轮与所述输入轴耦合的多个马达，每个马达从所述行星齿轮组的所述共同的轴偏移，位于不会遮挡所述通道的所述开口的位置。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动器组件，其中所述中空的通道至少部分地由一个具有与所述共同的轴重合的轴的导管形成，所述导管与所述输出接合，以与所述输出一起旋转。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的驱动器组件，其中所述行星齿轮箱的所述输出由与旋转的输入相对的旋转盖构成，并且所述导管被固定在所述旋转盖上。

7.一种缠绕管卷筒组件，包括：

支架；

卷轴，被装配以在所述支架上旋转，并包括中心轮毂，所述中心轮毂用于装配在所述支架上旋转的所述卷轴；

安装至所述支架的行星齿轮箱，所述行星齿轮箱具有至少一级，并且包括与太阳齿轮耦合的输入轴，和与环形齿轮耦合的旋转的输出，所述太阳齿轮和所述环形齿轮通过至少一个行星齿轮耦合，所述输入和所述输出中的每个都围绕着共同的轴旋转；其中所述行星齿轮箱的所述输出被耦合至所述轮毂的一端，并支撑在所述支架上旋转的卷轴；

中空的通道，通过所述行星齿轮箱沿着所述共同的轴延伸；和

耦合至所述输入轴的至少一个马达，所述至少一个马达从所述行星齿轮组的中心轴偏移，位于不会遮挡所述通道的位置。

8.根据权利要求7所述的缠绕管卷筒组件，进一步包括围绕所述卷轴缠绕的缠绕管，和至少一个电的、液压的或光的线缆，延伸进入所述输入轴，通过所述通道，并进入所述中心轮毂。

9.根据权利要求8所述的缠绕管卷筒组件，其中所述线缆进一步延伸进入缠绕在所述缠绕管卷轴上的管道。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的缠绕管卷筒组件，其中所述至少一个马达通过一个或多个齿轮耦合至所述行星齿轮组的所述输入。

11.根据权利要求7至10中任一项所述的缠绕管卷筒组件，其中所述中空的通道至少部分地由中空的导管形成，所述中空的导管具有与所述输出的旋转轴重合的中心轴，所述导管与所述输出接合，以与所述输出一起旋转。

12.根据权利要求11所述的缠绕管卷筒组件，其中所述行星齿轮箱的所述输出由旋转的壳体组成，并且所述导管被固定于所述壳体。

13.根据权利要求7至12中任一项所述的缠绕管卷筒组件，进一步包括连接至所述支架的轮轴，具有通过其延伸的流体通道，所述轮轴与所述轮毂的一端耦合，所述一端在与所述行星齿轮箱耦合的所述轮毂的端部对面，用来支撑在所述支架上旋转的卷轴。

14.一种通过缠绕管将电的、液压的、或光的线缆插入井孔的方法，其中所述缠绕管从卷筒组件上解开，并被输送给缠绕管注入机以插入井孔，所述卷筒组件包括：

支架；

卷轴，被装配以在所述支架上旋转，并包括中心轮毂，所述中心轮毂用于装配在所述支架上旋转的所述卷轴；

安装至所述支架的行星齿轮箱，所述行星齿轮箱具有至少一级并包括与太阳齿轮耦合的输入轴，和与环形齿轮耦合的旋转的输出，所述太阳齿轮和所述环形齿轮通过至少一个行星齿轮耦合，所述输入和所述输出中的每个都能够围绕共同的轴旋转；其中所述行星齿轮箱的所述输出被耦合至所述轮毂的一端，并支撑在所述支架旋转的卷轴；和，

耦合至所述输入轴的至少一个马达，所述至少一个马达从所述行星齿轮组的所述共同的轴偏移；

其中所述方法包括：

将所述线缆穿过沿着所述共同的轴延伸通过所述行星齿轮箱的中空的通道，送入所述中心轮毂，并且然后送入围绕所述卷轴缠绕的缠绕管；和

将转矩施加到所述至少一个驱动马达。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述至少一个马达通过一个或多个齿轮耦合至所述行星齿轮的所述输入。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其中所述中空的通道至少部分地由导管组成，所述导管具有与所述共同的轴重合的中心轴。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述行星齿轮箱的所述输出由旋转的壳体构成，并且所述导管被固定在所述壳体上。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，进一步包括连接至所述支架的轮轴，具有通过其延伸的流体通道，所述轮轴被耦合至所述轮毂的一端，所述一端在与所述行星齿轮箱耦合的所述轮毂的端部对面，用来支撑在所述支架上旋转的卷轴。