CN108603395B - 用于牵引钢丝和/或光纤缆的井眼和/或管道牵引工具和推进模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于牵引钢丝和/或光纤缆的井眼和/或管道牵引工具，其包括具有主要区段(1)和铰接的推进臂(2)的推进模块(64)。带有齿轮系统的推进轮(6)支撑在推进臂中。推进轮(6)的齿轮系统包括偏心内齿齿轮系统，其具有固定的内齿轮和运动的外齿轮。运动的外齿轮构成牵引工具的推进轮(6)。电动马达(8)经由齿轮系统驱动推进轮(6)。还描述了用于这种牵引工具的推进模块。
Description
技术领域
本发明涉及一种牵引工具和牵引工具的推进模块，其用于将自身和其它设备拉入到井眼或管道中。
背景技术
井眼和管道通常包括长的垂直和水平延伸段。在许多井中，需要安装光缆以获得流量、压力和温度等的实时测量。光纤本身非常细且很脆弱。因此，几种类型的包层用于保护光纤缆，诸如金属、凯夫拉(Kevlar)或碳棒。所有这些缆线的共同之处在于它们非常轻量且有一定柔性，当它们安装在水平井中时会带来一些挑战。
由于光纤缆仅是信号缆线，因此大多数牵引工具需要电池来操作。因此，牵引工具必须尽可能高效和轻量，以限制必要的功率消耗。目前，不存在专门为这些应用而设计的牵引工具。
除了光纤缆安装之外，还需要用于执行轻钢丝井干预的牵引工具。与光纤缆类似，当钢丝进入到水平井中时遇到相同的挑战。由于钢丝的有限的刚性，不可能将其推入水平井中特别远。为了能够通过水平井中的钢丝执行轻型井干预，需要电池操作的牵引工具。
需要进行轻型井干预的井具有小的内直径并且具有小至40mm的短节剖面。因此，有必要将牵引工具构造得足够小以能够穿过最小的短节剖面。为了实现这一点，在此以新的方式使用已知的齿轮方案。井的直径可以大于牵引工具和由牵引工具牵引的缆线的组合直径。
市场上有牵引工具或井牵引机(well tractor)的数个变型。已知的方案包括电动马达驱动液压泵，其又驱动推进轮的液压马达。这种系统技术复杂、效率不高。其它可用的变型使用电动马达，其通过角齿轮直接转换旋转并通过链/带驱动或直齿齿轮到轮上。这种系统存在挑战，在于齿轮比不够高以允许使用以相对高的RPM操作高效无刷永磁马达。已知在推进轮本身中包括行星齿轮，其中，运动的外齿轮构成牵引工具的推进轮，以便降低马达和推进轮之间的旋转速度。然而，行星齿轮的制造大小上有限制，由于这种齿轮包括位于彼此内侧的多个部件，每个部件都需要抵抗施加的扭矩。而且，可实现的齿轮比相对低。
发明内容
通过本发明，获得了具有比那些现有系统更高齿轮比的稳健且高效的齿轮系统。一般地，较小直径的马达以较高的RPM操作，并且因此希望在马达和推进轮之间具有较高的齿轮比。通过本发明，在更紧凑的设计中获得更高的齿轮比，并且因此提供了马达和推进轮之间更高的齿轮比。
与相同大小的行星齿轮方案相比，本发明提供了在相同尺寸内高5-10倍的齿轮比。
本发明的另一个目的是能够构造一种牵引工具，其直径小于市场上现有的牵引工具的直径。
本发明提供一种小尺寸、轻量、高性能的推进单元，其优选地是电池操作的。
本发明公开了一种用于牵引钢丝和/或光纤缆的井眼和/或管道牵引工具，其包括具有主要区段的推进模块。推进臂铰接到主要区段，所述推进臂具有带有齿轮系统的推进轮。推进轮的齿轮系统包括偏心内齿齿轮系统，其包括固定的内齿轮和运动的外齿轮。运动的外齿轮包括内齿，并构成牵引工具的推进轮。用于经由齿轮系统驱动推进轮的电动马达位于铰接的推进臂中。
这里使用的术语“钢丝(slick line)”也可以包括电缆线。
在本发明中，可以使用高效率、高RPM、低扭矩、可浸入的无刷马达，其呈现出良好的防潮性和耐磨性，并且不会随着时间的推移而损失功率和效率。这通过在推进轮中使用齿轮系统来实现，该齿轮系统包括偏心内齿齿轮系统，以内摆线齿轮或摆线齿轮的形式，呈现出额定变压器比率和输出扭矩，其明显大于相同大小的行星齿轮所能达到的。
牵引工具还可包括缆线过渡部，电池模块，其包括用于操作电动马达的一个或多个电池，电子模块，和至少两个推进模块。
牵引工具还可包括四个推进模块和鼻状连接部。
电动马达可包括具有锚固件的转子，所述锚固件带有输出轴，和固定到输出轴的小齿轮。
电动马达可以是具有垂直于推进轮的旋转轴线的纵向轴线的无刷马达，并且牵引工具还可以包括无刷马达控制器。
可以在主要区段和铰接的推进臂之间提供电致动器，其中，铰接的推进臂配置成在推进模块内侧采取第一缩回的位置，并在抵靠井眼或管道壁采取第二致动的位置。
牵引工具可具有小于40mm的外直径。
电动马达和推进轮之间的传动比可以大于1：50，并且可以在1：50和1：200之间或更高，使得可以实现非常低的齿轮。
偏心内齿齿轮系统可以是摆线齿轮。
偏心内齿齿轮系统可以是内摆线齿轮。
本发明还包括牵引工具推进模块，其包括主要区段和铰接到主要区段(1)的推进臂，所述推进臂具有带有齿轮系统的推进轮。推进轮的齿轮系统包括偏心内齿齿轮系统，其具有固定的内齿轮和呈现出内齿的运动的外齿轮。运动的外齿轮构成牵引工具的推进轮。电动马达通过齿轮系统驱动推进轮。
电动马达可包括具有锚固件的转子，所述锚固件具有输出轴，和固定到输出轴的小齿轮。
电动马达可以是无刷马达，其具有垂直于推进轮的旋转轴线的纵向轴线，其中，牵引工具还包括无刷马达控制器。
电动马达和推进模块的推进轮之间的传动比可以大于1：50。
推进模块的偏心内齿齿轮系统可以是摆线齿轮。
推进模块的偏心内齿齿轮系统可以是内摆线齿轮。
本发明包括具有倾斜臂、齿轮装置和轮的牵引工具，其中，偏心内齿齿轮系统旨在包括具有固定的内齿轮和运动的外齿轮(该外齿轮构成牵引工具的推进轮)的摆线齿轮、或内摆线齿轮。偏心内齿齿轮系统不旨在包括诸如行星齿轮系统的中心齿轮系统。
一种用于井眼的推进模块，包括主要区段和推进臂，其包括由马达通过齿轮装置来驱动的推进轮。推进臂可以借助于电动马达或液压活塞动作从主要区段倾斜。在本发明中没有描述倾斜臂的原理。
马达和轮之间的齿轮装置由角齿轮、直齿齿轮和轮本身组成。
牵引工具包括至少一个推进臂。
附图说明
图1是根据本发明的牵引组件的推进模块的实施方式的透视图；
图2是推进臂的透视图；
图3表示推进臂的驱动机构；
图4表示推进轮；
图5示出了具有摆线齿轮的推进轮的截面图；
图6示出了具有摆线齿轮的轮，所有部件均以分解图示出；
图7示出了具有摆线齿轮的轮，所有部件均以分解图示出；
图8示出了具有内摆线齿轮的推进轮的截面图；
图9示出了具有内摆线齿轮的轮，所有部件均以分解图示出；
图10示出了具有内摆线齿轮的轮，所有部件均以分解图示出；
图11示出了具有两个推进模块和两个中心化模块的牵引工具的实施方式；和
图12示出了具有4个推进模块的牵引工具的实施方式。
具体实施方式
现在将参考附图使用摆线齿轮更详细地解释本发明：
图1是根据本发明的牵引组件的实施方式的透视图。牵引组件包括支撑完整推进臂2的主区段1。完整推进臂2通过铰链关节3连接到主要区段1，借助于铰链关节，完整推进臂2可以向外倾斜。
图2示出了完整推进臂2，其包括臂体4，枢转孔5，图3的驱动机构，完整推进轮6，和盖7。
图3示出了驱动机构，包括马达8，角齿轮，其包括固定到马达的驱动轴的小齿轮9，以及通过轴承11支撑在臂体4(图2中示出)中的冠齿轮10。小齿轮9通过轴承12支撑在臂体4(图2中示出)中。冠齿轮10连接到直齿齿轮13，所述直齿齿轮13连接到直齿齿轮14，直齿齿轮14又连接到直齿齿轮15上，直齿齿轮15是完整推进轮6的一部分。
马达8使小齿轮9旋转，该小齿轮将旋转传递到冠齿轮10，该冠齿轮通过直齿齿轮13将旋转传递到直齿齿轮14，该直齿齿轮14将旋转传递到直齿齿轮15，该直齿齿轮15将旋转传递到完整推进轮6。
通过支撑在附接至臂体4(如图2所示)的轴17上的轴承16来支撑齿轮14。直齿齿轮15包括同心轴区段49并且通过轴承19支撑在臂体4(如图2所示)中。
完整推进轮6包括静态部件20，其由固定螺钉21固定到臂体4(如图2所示)。
图4和图5示出了包括直齿齿轮15的完整推进轮6，该直齿齿轮包括同心轴区段22、同心轴区段23、同心轴区段49和偏心轴区段24。同心轴区段22由静止部件20的轴承25来支撑。同心轴区段23由静止部件20的轴承26来支撑。偏心轴区段24经由轴承27旋转，使齿轮28的中心轴线围绕同心轴区段22和23的中心轴线运动。齿轮28的中心轴线和偏心轴区段24围绕同心轴22和23的中心轴线旋转。由连接在齿轮28和静止部件20之间的偏心滚针29来防止齿轮28围绕其自身的中心轴线旋转。齿轮28的外齿30具有比外推进轮32的内齿31更少的齿。外推进轮32是通过静止部件20的轴承33来支撑的，并且通过安装件34连接。
当由于齿轮28的中心轴线围绕同心轴22和23的中心轴线旋转，所述齿轮28偏心地运动时，齿轮28将通过齿30和齿31之间的啮合迫使外轮32旋转。齿轮28和外推进轮32之间的齿轮比等于齿30和齿31之间的齿数差。例如，如果轮30的齿数是49并且轮31的齿数是50，那么齿轮比是(50-49)/50＝1：50。
齿轮15通过轴承19支撑在臂体4中(参见图2)。静态部件20通过固定螺钉21在螺纹孔54中(如图3所示)被固定到臂体4(图2中所示)。
图6和图7是完整推进轮6的分解图。齿轮15包括齿圈57、同心轴区段49、同心轴区段22、同心轴区段23和偏心轴区段24。轴承19安装到轴区段49并抵靠于臂体4(如图2所示)。轴承25安装到同心轴区段22并在壳体滚道50中。轴承26安装到同心轴区段23并在壳体滚道58中。轴承27安装到偏心轴区段24并在壳体滚道56中。轴承33安装到轴承滚道57并且轴承滚道55配合跨越轴承33。偏心滚针29包括同心轴区段51和偏心轴区段52，同心轴区段51安装在滚轮壳体59中并且偏心轴区段52安装在滚轮壳体53中。静态部件20通过固定螺钉21(如图3所示)在螺纹孔54中而固定在臂体4中(如图2所示)。齿轮28包括滚轮壳体53、壳体滚道56和外齿圈30，其与内齿圈31啮合。外推进轮32包括内齿31和内螺纹69。外螺纹66与内螺纹69接合，从而经由轴承33保持外推进轮32、齿轮28、偏心滚针29、静止部件20和安装件34在一起。
在本发明的另一个实施方案中，可以使用内摆线齿轮。
在该实施方式中，图1、图2、图3和图4如上述使用摆线齿轮的实施例中所述。图5和图6和图7分别由图8、图9和图10所代替。
图8示出了包括直齿齿轮42的完整推进轮67，该直齿齿轮包括同心轴区段68和偏心轴区段44。通过静止部件38的轴承41支撑同心轴区段68。偏心轴区段44经由轴承40旋转，使双摆线盘39的中心轴线围绕同心轴区段68的中心轴线运动。双摆线盘39具有摆线齿46(也在图9和图10中示出)和摆线齿47(也在图9和图10中示出)。摆线齿46以偏心圆运动，与静止部件38的内部摆线齿45(也在图9和图10中示出)啮合。摆线齿47以同心圆运动，与外推进轮37的内齿48(也在图9和图10中示出)啮合。
摆线齿46相对于内部摆线齿45的齿数差导致齿轮比，使得双摆线盘39相对于同心轴区段68的中心轴线旋转。例如，如果摆线齿46的齿数是7并且内部摆线齿45的齿数是8，那么静态部件38和双摆线盘39之间的齿轮比是1：7。
类似地，摆线齿47和内齿48之间的齿数差为外推进轮37的旋转提供了额外的齿轮级。
推进轮37经由轴向轴承33连接到静止部件38，所述轴向轴承安装在成角度的轴承滚道区段35和螺合于外推进轮37的成角度的轴承滚道区段36之间。
直齿齿轮42经由轴承43支撑在臂体4(如图2所示)中。
图9和图10是完整推进轮67的分解图。齿轮42包括同心轴区段70、直齿71、同心轴区段68和偏心轴区段44。同心轴区段70通过轴承43支撑在臂体4中(如图2所示)。轴承41安装到同心轴区段68并在壳体73中。轴承72安装到偏心轴区段44并在壳体74中。双摆线盘39安装在静止部件38中，使得外摆线齿46与内摆线齿45啮合。相反，外摆线齿47安装成与由外推进轮37包括的内摆线齿48啮合。轴线轴承33安装在轴承滚道75上。成角度的轴承滚道区段35安装在内部壳体76中。轴承滚道36安装在轴向轴承33外侧并且在内部壳体76中。
图11和图12示出了根据本发明的两个牵引工具，其分别包括两个和四个推进模块64。推进模块可在每个端部包括紧固件，用于附接类似的推进模块或不同的单元。紧固件可包括卡口关节或螺纹构件。每个推进模块可以包括位于一端的阳紧固装置和位于另一端的阴紧固装置，阳紧固装置配置成用于将附接配合在阴紧固装置中。紧固装置还可包括用于电能传递(用于操作和信号)的构件或连接器。
图11示出了电池操作的牵引工具，其包括缆线过渡部60、电池模块61、电子模块62、两个中心化模块63、两个推进模块64和鼻状连接部65。
图12示出了电池操作的牵引工具，其包括缆线过渡部60、电池模块61、电子模块62、四个推进模块64和鼻状连接部65。
Claims (16)
1.一种用于牵引钢丝和/或光纤缆的井眼和/或管道牵引工具，包括：推进模块(64)，其具有主要区段(1)和铰接到主要区段(1)的推进臂(2)，所述推进臂具有带有齿轮系统的推进轮(6)，所述推进轮(6)的齿轮系统包括具有固定的内齿轮和运动的外齿轮的偏心内齿齿轮系统，运动的外齿轮呈现出内齿并构成牵引工具的推进轮(6)，以及用于经由齿轮系统驱动推进轮(6)的电动马达(8)。
2.根据权利要求1所述的牵引工具，还包括：缆线过渡部(60)，带有用于操作所述电动马达(8)的一个或多个电池的电池模块(61)，以及电子模块(62)，其中，所述推进模块包括至少两个推进模块(64)。
3.根据权利要求2所述的牵引工具，还包括鼻状连接部(65)，其中，所述推进模块包括四个推进模块(64)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的牵引工具，其中，所述电动马达(8)包括具有锚固件的转子，所述锚固件带有输出轴，和固定到所述输出轴的小齿轮(9)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的牵引工具，其中，所述电动马达(8)是无刷马达，其具有垂直于所述推进轮(6)的旋转轴线的纵向轴线，所述牵引工具还包括无刷马达控制器。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的牵引工具，其中，电致动器设置在所述主要区段(1)和铰接的推进臂(2)之间，所述铰接的推进臂被配置用于在推进模块(64)中采取第一缩回的位置，并且抵靠井眼或管道壁采取第二致动的位置。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的牵引工具，其中，所述牵引工具具有小于40mm的外直径。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的牵引工具，其中，所述电动马达(8)和所述推进轮(6)之间的传动比大于1：50。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的牵引工具，其中，所述偏心内齿齿轮系统是摆线齿轮。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的牵引工具，其中，所述偏心内齿齿轮系统是内摆线齿轮。
11.一种牵引工具的推进模块(64)，包括：主要区段(1)和铰接到主要区段(1)的推进臂(2)，所述推进臂具有带有齿轮系统的推进轮(6)，所述推进轮(6)的齿轮系统包括偏心内齿齿轮系统，其具有固定的内齿轮和运动的外齿轮，所述运动的外齿轮呈现出内齿并构成牵引工具的推进轮(6)，以及用于经由齿轮系统驱动推进轮(6)的电动马达(8)。
12.根据权利要求11所述的推进模块(64)，其中，所述电动马达(8)包括具有锚固件的转子，所述锚固件带有输出轴，和固定到所述输出轴的小齿轮(9)。
13.根据权利要求11-12中任一项所述的推进模块(64)，其中，所述电动马达(8)是无刷马达，其具有垂直于所述推进轮(6)的旋转轴线的纵向轴线，所述牵引工具还包括无刷马达控制器。
14.根据权利要求11-12中任一项所述的推进模块(64)，其中，所述电动马达(8)和所述推进轮(6)之间的传动比高于1：50。
15.根据权利要求11-12中任一项所述的推进模块(64)，其中，所述偏心内齿齿轮系统是摆线齿轮。
16.根据权利要求11-12中任一项所述的推进模块(64)，其中，所述偏心内齿齿轮系统是内摆线齿轮。
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