CN106089022A - 顶驱装置及应用其的钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶驱装置及应用其的钻机，涉及钻井技术领域。本发明所述的顶驱装置，包括：顶驱主轴、单级减速箱、液压驱动组件、减速器组件，单级减速箱的减速箱输出轴与顶驱主轴同轴固定，且液压驱动组件与单级减速箱的减速箱输入轴之间通过减速器组件传动连接。本发明能够解决现有技术中的顶驱装置轴向和径向尺寸均较大的技术问题。

Description

顶驱装置及应用其的钻机

技术领域

本发明涉及钻井技术领域，特别涉及一种顶驱装置及应用其的钻机。

背景技术

石油钻机顶部驱动钻井装置，简称顶驱装置，是钻井作业的核心设备之一。

现有技术中顶驱装置的驱动方式通常为电机驱动，具体可以分为直流电机驱动和交流变频电机驱动两种。目前，国内外大吨位顶驱装置多常用交流变频电机驱动，其优点是调速范围宽、过载能力强、工作效率高。

然而，本申请发明人发现，采用交流变频电机驱动，需配备大型电机和散热风扇，从而容易导致顶驱装置的轴向尺寸较大，且制造成本较高。此外，上述各型号的交流变频电机通常均采用单一减速齿轮箱以实现二级减速，即减速箱的内部为二级齿轮传动，从而容易导致减速齿轮箱及顶驱装置的径向尺寸较大。

因此，如何提供一种轴向和径向尺寸均较小的顶驱装置及应用其的钻机，已成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种顶驱装置及应用其的钻机，以解决现有技术中的顶驱装置轴向和径向尺寸均较大的技术问题。

本发明提供一种顶驱装置，包括：顶驱主轴、单级减速箱、液压驱动组件、减速器组件，所述单级减速箱的减速箱输出轴与所述顶驱主轴同轴固定，且所述液压驱动组件与所述单级减速箱的减速箱输入轴之间通过所述减速器组件传动连接。

实际应用时，所述单级减速箱的减速箱输入轴设置有至少两个；所述液压驱动组件包括与所述减速箱输入轴一一对应的液压驱动器组，所述减速器组件包括与所述液压驱动组件中的液压驱动器一一对应的单级减速器，每一个所述液压驱动器组中的每一个所述液压驱动器与对应的所述减速箱输入轴之间通过一个所述单级减速器传动连接。

其中，所述单级减速箱的多个所述减速箱输入轴沿所述顶驱主轴轴心线的周向均匀分布。

具体地，每一个所述液压驱动器组包括两个所述液压驱动器，且每对相互对应的所述液压驱动器组和所述减速箱输入轴之间：一个所述液压驱动器通过对应的所述单级减速器与所述减速箱输入轴的一端传动连接，另一个所述液压驱动器通过对应的所述单级减速器与所述减速箱输入轴的另一端传动连接。

进一步地，所述液压驱动器为液压马达。

相对于现有技术，本发明所述的顶驱装置具有以下优势：

本发明提供的顶驱装置中，由于采用液压驱动组件为顶驱主轴提供驱动力，因此与现有技术中配备的大型电机和散热风扇相比，在相同功率的情况下能够有效减小顶驱装置的轴向尺寸，同时还能够有效减轻顶驱装置的整体重量，并有效降低制造成本；此外，由于液压驱动组件通过减速器组件与单级减速箱的减速箱输入轴连接，且单级减速箱的减速箱输出轴与顶驱主轴同轴固定，即本发明将现有技术中减速箱的二级齿轮传动转化为减速器组件与单级减速箱的组合形式，因此能够有效减小减速箱的体积及径向尺寸，从而有效减小顶驱装置的径向尺寸，同时能够有效提高减速箱的可靠性和维护性。综上所述，本发明提供的顶驱装置相对于现有技术中的顶驱装置而言，轴向尺寸和径向尺寸均有明显减小。

本发明还提供一种钻机，包括：根据上述任一项所述的顶驱装置，以及动力泵站；所述动力泵站与所述顶驱装置中的所述液压驱动组件连接。

实际应用时，所述动力泵站包括：液压泵，所述液压泵与油箱连通，且所述油箱通过油管与所述液压驱动组件连通。

其中，所述动力泵站还包括：驱动机，所述驱动机依次通过分动箱和联轴器与所述液压泵连接；或，所述驱动机依次通过增速箱和联轴器与所述液压泵连接。

具体地，所述动力泵站还包括：与所述油箱依次连接的过滤器和散热器。

进一步地，所述油管的外侧包裹有保温层。

所述钻机与上述顶驱装置相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的顶驱装置的结构示意图；

图2为图1中A区域的内部结构示意图；

图3为图2的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的钻机的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的钻机中动力泵站的结构示意图。

图中：

1－顶驱主轴； 2－单级减速箱；

3－液压驱动组件； 4－减速器组件；

21－减速箱输出轴； 22－减速箱输入轴；

31－液压驱动器组； 311－液压驱动器；

41－单级减速器； 5－动力泵站；

51－液压泵； 52－油箱；

6－油管； 53－驱动机；

54－散热器。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为本发明实施例提供的顶驱装置的结构示意图；图2为图1中A区域的内部结构示意图。

如图1结合图2所示，本发明实施例提供一种顶驱装置，包括：顶驱主轴1、单级减速箱2、液压驱动组件3、减速器组件4，单级减速箱2的减速箱输出轴21与顶驱主轴1同轴固定，且液压驱动组件3与单级减速箱2的减速箱输入轴22之间通过减速器组件4传动连接。

相对于现有技术，本发明实施例所述的顶驱装置具有以下优势：

本发明实施例提供的顶驱装置中，如图1结合图2所示，由于采用液压驱动组件3为顶驱主轴1提供驱动力，因此与现有技术中配备的大型电机和散热风扇相比，在相同功率的情况下能够有效减小顶驱装置的轴向尺寸，同时还能够有效减轻顶驱装置的整体重量，并有效降低制造成本；此外，由于液压驱动组件3通过减速器组件4与单级减速箱2的减速箱输入轴22连接，且单级减速箱2的减速箱输出轴21与顶驱主轴1同轴固定，即本发明实施例将现有技术中减速箱的二级齿轮传动转化为减速器组件4与单级减速箱2的组合形式，因此能够有效减小减速箱的体积及径向尺寸，从而有效减小顶驱装置的径向尺寸，同时能够有效提高减速箱的可靠性和维护性。综上所述，本发明实施例提供的顶驱装置相对于现有技术中的顶驱装置而言，轴向尺寸和径向尺寸均有明显减小。

实际应用时，为了提高顶驱装置的综合性能，如图2结合图1所示，上述单级减速箱2的减速箱输入轴22可以设置有至少两个；同时，液压驱动组件3可以包括与减速箱输入轴22一一对应的液压驱动器组31，减速器组件4可以包括与液压驱动组件3中的液压驱动器311一一对应的单级减速器41；实际装配时，每一个液压驱动器组31中的每一个液压驱动器311与对应的减速箱输入轴22之间通过一个单级减速器41传动连接，从而通过采用多个液压驱动器311驱动顶驱主轴1，能够在无需全功率钻井时根据需求只启动部分液压驱动器311工作、其余的液压驱动器311可以作为备用，并且当遇到某液压驱动器311发送故障时可以将其拆除维修，使用其余无故障的液压驱动器311继续工作。由于控制系统能够根据实际需求进行优化，合理控制多个液压驱动器311的组合功率输出，非全功率运行时，周期性切换使用部分液压驱动器311，因此采用液压驱动组件3(即多个液压驱动器311群组)的驱动模式，能够延长液压驱动组件3的整体使用寿命，降低故障停机风险，并有效提高顶驱装置的综合性能。

图3为图2的俯视结构示意图。

其中，由于单个或多个液压驱动器311位于单级减速箱2的一侧，容易导致单级减速箱2偏重，对顶驱装置的上下扣和起下钻作业造成影响，因此为了避免因多个液压驱动器311偏置、偏载而引起的传动故障，如图2结合图3和图1所示，上述单级减速箱2的多个减速箱输入轴22可以优选为沿顶驱主轴1轴心线的周向均匀分布，即多个液压驱动器311可以优选为沿顶驱主轴1轴心线的周向均匀分布；此外，单级减速箱2的减速箱输出轴21与顶驱主轴1同轴固定，也能够有效提高单级减速箱2、减速器组件4和液压驱动组件3的整体对称性，从而有效避免偏置结构造成的偏重现象。

具体地，为了进一步提高顶驱装置运行时的稳定性，如图2结合图1所示，每一个液压驱动器组31可以包括有两个上述液压驱动器311，且每对相互对应的液压驱动器组31和减速箱输入轴22之间的装配形式可以为：一个液压驱动器311通过对应的单级减速器41与减速箱输入轴22的一端传动连接，另一个液压驱动器311通过对应的单级减速器41与减速箱输入轴22的另一端传动连接。此种设置，不仅将液压驱动器311沿顶驱主轴1轴心线的周向均匀分布，而且将液压驱动器311相对单级减速箱2上、下对称分布，从而能够将部分液压驱动器311的重量下置，以有效降低顶驱装置整机的重心高度，进而减少起、下顶驱时的偏摆量，提高运行平稳性。

此处需要补充说明的是，本发明实施例提供的顶驱装置中，上述减速器组件4中的每个减速器可以优选为单级减速器41，当然也可以为多级减速器，只要该减速器(单级减速器411或多级减速器)能够与单级减速箱2配合以实现目标速比即可。

此外，本发明实施例提供的顶驱装置，综合考虑多个液压驱动器311的组合功率输出、偏置偏载以及重量下置等多个因素，如图2和图3结合图1所示，液压驱动组件3中可以设置有四个液压驱动器组31(也即八个液压驱动器311)，具体装配时：其中四个液压驱动器311可以位于单级减速箱2的上方、且沿顶驱主轴1轴心线的周向均匀分布，另外四个液压驱动器311可以位于单级减速箱2的下方、且沿顶驱主轴1轴心线的周向均匀分布，同时每个液压驱动器组31中的两个液压驱动器311通过单级减速箱2的减速箱输入轴22上下对应设置。

进一步地，为了保证顶驱装置具有较好性能的同时控制成本，本发明实施例提供的顶驱装置中，上述液压驱动器311可以为液压马达，单级减速箱2可以为单级行星齿轮减速箱。

图4为本发明实施例提供的钻机的结构示意图。

本发明实施例还提供一种钻机，如图4所示，包括：根据上述任一项所述的顶驱装置，以及动力泵站5；其中，动力泵站5与顶驱装置中的液压驱动组件3连接，从而动力泵站5能够为液压驱动组件3提供动力来源。

此处需要补充说明的是，本发明实施例提供的钻机中，上述动力泵站5可以根据实际情况，设置在远离井架的位置(如图4所示)或井架的二层平台处。

图5为本发明实施例提供的钻机中动力泵站的结构示意图。

实际应用时，为了保证动力泵站5能够良好地为液压驱动组件3提供动力，以使液压驱动组件3中的多个液压驱动器311能够良好地为顶驱装置提供驱动力，如图5所示，上述动力泵站5可以包括：液压泵51，该液压泵51与油箱52连通，且油箱52可以通过油管6与液压驱动组件3中的多个液压驱动器311连通，从而液压泵51能够加压后由油箱52中吸取高压液压油，并通过油管6将高压液压油输送至液压驱动器311中，进而通过液压驱动器311为顶驱装置提供动力。实际生产制造时，上述液压泵51具体可以为油泵，油管6可以为高压油管，高压油管具体可以与液压驱动器311的液压油入口连通；此外，液压驱动器311的液压油出口还可以通过低压油管与油箱52连通，从而流经液压驱动器311后的低压油能够通过低压油管回流至动力泵站5中的油箱52内，以供循环使用。

其中，为了较好地为液压泵51提供动力，使其能够加压后由油箱52中吸取高压液压油，如图5所示，上述动力泵站5还可以包括：驱动机53，该驱动机53可以依次通过分动箱和联轴器与液压泵51连接，从而驱动机53能够通过分动箱和联轴器带动液压泵51工作，进而保证液压驱动器311的驱动力；此外，上述驱动机53还可以依次通过增速箱和联轴器与液压泵51连接，从而使驱动机53能够更好地带动液压泵51工作。

具体地，为了提高回流至油箱52中的低压油的质量，并有效保证油箱52中油液的质量，如图5所示，上述动力泵站5还可以包括：与油箱52依次连接的过滤器和散热器54，从而流经液压驱动器311后的低压油能够通过低压油管并经过滤器过滤清洁和散热器54散热冷却后，回流至动力泵站5中的油箱52内，进而保证回流至油箱52中的低压油具有较高的纯度和较适宜的温度。实际生产制造时，上述过滤器具体可以为回流过滤器或循环过滤器等，散热器54具体可以采用风冷散热的方式，或也可以为热管散热器或液冷散热器等。

进一步地，为了节约成本，如图5所示，本发明实施例提供的钻机中，上述动力泵站5中的驱动机53可以为电机，且该电机可以由发电机或电力网提供动力来源。实际装配时，为了有效提高动力泵站5的综合性能，上述电机可以设置有至少两个，设置有多个电机的好处在于：当顶驱装置无需全功率工作时，电机可以根据功率需求，由操作系统控制，启动部分电机以达到功率最优控制，并通过间歇式或周期性启用不同的电机，以大幅度提高动力泵站5的整机使用寿命；当动力泵站5中的个别电机发生故障时，控制系统可以迅速切断该故障部分的动力供给，并将顶驱装置切换至低功率工作状态，从而保障动力泵站5和顶驱装置的不停机维护，进而有效提高动力泵站5和顶驱装置的使用可靠性和稳定性。

更进一步地，为了保证钻机在高寒地区仍具有较佳的性能，本发明实施例提供的钻机中，上述油管6的外侧可以包裹有保温层，从而通过保温层以降低油管6的散热能力，进而扩大钻机的工作温度范围，使其能够更好地适应高寒地区的工作环境。实际使用时，上述保温层可以为保温棉或保温纸等，在此不作限制；此外，油管6可以采用高强度且挠性好的液压胶管。

此处需要补充说明的是，本发明实施例提供的钻机中，由于动力泵站5与顶驱装置之间仅通过液压管路连接，无需使用动力电缆，且二者与控制系统之间可以通过无线信号进行通讯，同时由于顶驱装置采用液压驱动组件3替代大型电机，因此顶驱装置可以仅采用24V的电池为电气元件供电，无需使用高压大电流电缆，从而本发明实施例提供的钻机能够有效避免顶驱装置产生电火花，进而提高其的用电安全性。

本发明实施例提供的顶驱装置及应用其的钻机，轴向尺寸和径向尺寸均有明显减小、且重量较轻，同时可靠性较高、维护性更好，能够有效延长使用寿命、并降低故障停机风险，此外能够避免偏载现象的发生，还能够有效提高用电安全性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种顶驱装置，其特征在于，包括：顶驱主轴(1)、单级减速箱(2)、液压驱动组件(3)、减速器组件(4)，所述单级减速箱(2)的减速箱输出轴(21)与所述顶驱主轴(1)同轴固定，且所述液压驱动组件(3)与所述单级减速箱(2)的减速箱输入轴(22)之间通过所述减速器组件(4)传动连接。

2.根据权利要求1所述的顶驱装置，其特征在于，所述单级减速箱(2)的减速箱输入轴(22)设置有至少两个；

所述液压驱动组件(3)包括与所述减速箱输入轴(22)一一对应的液压驱动器组(31)，所述减速器组件(4)包括与所述液压驱动组件(3)中的液压驱动器(311)一一对应的单级减速器(41)，每一个所述液压驱动器组(31)中的每一个所述液压驱动器(311)与对应的所述减速箱输入轴(22)之间通过一个所述单级减速器(41)传动连接。

3.根据权利要求2所述的顶驱装置，其特征在于，所述单级减速箱(2)的多个所述减速箱输入轴(22)沿所述顶驱主轴(1)轴心线的周向均匀分布。

4.根据权利要求2所述的顶驱装置，其特征在于，每一个所述液压驱动器组(31)包括两个所述液压驱动器(311)，且每对相互对应的所述液压驱动器组(31)和所述减速箱输入轴(22)之间：

一个所述液压驱动器(311)通过对应的所述单级减速器(41)与所述减速箱输入轴(22)的一端传动连接，另一个所述液压驱动器(311)通过对应的所述单级减速器(41)与所述减速箱输入轴(22)的另一端传动连接。

5.根据权利要求2所述的顶驱装置，其特征在于，所述液压驱动器(311)为液压马达。

6.一种钻机，其特征在于，包括：根据权利要求1－5任一项所述的顶驱装置，以及动力泵站(5)；

所述动力泵站(5)与所述顶驱装置中的所述液压驱动组件(3)连接。

7.根据权利要求6所述的钻机，其特征在于，所述动力泵站(5)包括：液压泵(51)，所述液压泵(51)与油箱(52)连通，且所述油箱(52)通过油管(6)与所述液压驱动组件(3)连通。

8.根据权利要求6所述的钻机，其特征在于，所述动力泵站(5)还包括：驱动机(53)，所述驱动机(53)依次通过分动箱和联轴器与所述液压泵(51)连接；

或，所述驱动机(53)依次通过增速箱和联轴器与所述液压泵(51)连接。

9.根据权利要求7或8所述的钻机，其特征在于，所述动力泵站(5)还包括：与所述油箱(52)依次连接的过滤器和散热器(54)。

10.根据权利要求7所述的钻机，其特征在于，所述油管(6)的外侧包裹有保温层。