CN108691507A - 一种钻机用顶部驱动钻井装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻机用顶部驱动钻井装置，包括上端通过游车吊运的平衡机构，固定于平衡机构下方的动力传送箱，传动动力箱为穿设于其中的中心管提供动力，所述中心管向下延伸穿过旋转头总成后与转换接头相连，转换接头穿过连接于旋转头总成下方的双扭矩梁背钳装置后与钻杆相接，平衡机构包括能够将顶驱本体提起的油缸，双扭矩梁背钳装置包括能够卡住钻杆的背钳体，如此设计可以满足大深度钻探时的大功率，大扭矩，高可靠性需求，而且在对钻杆进行脱扣时，能够在脱扣时提起顶驱，不会因为顶驱重量压在钻杆丝扣上导致损坏。

Description

一种钻机用顶部驱动钻井装置

技术领域

本发明涉及石油天然气钻探设备技术领域，尤其涉及一种钻机用顶部驱动钻井装置。

背景技术

近年来，油气资源的开发已从内陆转向海洋，浅海转向深海，海洋钻井中顶驱装置有着至关重要的作用，尤其是深海钻探时用的大功率、大承载力、大扭矩、高可靠性的顶驱装置仍然依赖国外进口，很大程度上制约了我国海洋石油天然气的勘探开发。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种新型的钻机用顶部驱动钻井装置，其能够满足大钻井深度下钻机顶驱装置需要的大载荷、大功率、大扭矩和高可靠性的能力，本发明通过如下方式解决该技术问题：一种钻机用顶部驱动钻井装置，包括上端通过游车吊运的平衡机构，固定于平衡机构下方的动力传送箱，所述动力传送箱固定在位于其一侧的水平伸缩移动机构上，传动动力箱为穿设于其中的中心管提供动力，所述中心管向下延伸穿过旋转头总成后和转换接头相连，转换接头穿过连接于旋转头总成下方的双扭矩梁背钳装置后与钻杆相接，其特征在于：所述游车包括通过吊索吊起的滑轮，所述滑轮两侧设有侧板，所述侧板底部设有安装座，还包括设于安装座上的承载提环，所述承载提环顶部设有腰孔，安装座上设有穿在腰孔中的销轴从而将承载提环连接在安装座上，所述腰孔与销轴间留有间隙，所述平衡机构包括设于侧板上的卸扣，与卸扣相接的平衡油缸，平衡油缸与固定在承载提环上的固定套相接，所述双扭矩梁背钳装置包括两根并列布置且与旋转头总成相接的反扭矩梁，能够在两根反扭矩梁间滑动的背钳体以及固定在反扭矩梁上用于驱动背钳体上下滑动的提升油缸，背钳体上设有供钻杆穿过的开孔，开孔内设有能够卡住钻杆的油缸和钳牙，

作为本发明的一种优选实施方案，所述承载提环共有两根且并列铰接在安装座上，卸扣共设有四个，分别对应安装在每一块侧板的边缘两端，卸扣分别和与之相对应的与四个平衡油缸相接，平衡油缸分设于固定套的两端，且与固定套间斜向连接构成一个三角形的结构，提高了整体的承载能力。

作为本发明的一种优选实施方案，所述传动动力箱包括箱体，贯穿箱体的中心管，设于箱体顶部两侧的电机，电机通过传动装置传输动力给中心管，所述中心管中间设有泥浆通道，中心管与安置在箱体顶部的冲管盘根装置相连。

作为本发明的一种优选实施方案，所述箱体顶部设有与承载提环底部吊口相匹配的两组吊耳，吊耳与承载提环间通过提环销轴连接。

作为本发明的一种优选实施方案，所述水平伸缩移动机构由导向滑车、上支撑臂、下支撑臂和支架组成，导向滑车与钻机井架所属导轨配合，上支撑臂和下支撑臂各两个，通过销轴分别与导向滑车和支架联接，使导向滑车与支架相联形成平行四边形，所述支架与传动动力箱的箱体连接。

作为本发明的一种优选实施方案，所述旋转头总成包括套设在中心管外的悬挂体，设于悬挂体上方的马达与齿轮，所述悬挂体能够在马达与齿轮的驱动下进行偏转，所述中心管穿过所述悬挂体后与转换接头相接，悬挂体还内设有套设在所述中心管上的推力轴承和着陆套。

作为本发明的一种优选实施方案，所述悬挂体两侧设有吊耳，吊环固定在所述吊耳内，所述旋挂体上还设有能够偏转所述吊环的倾斜装置。

作为本发明的一种优选实施方案，所述吊环竖直向下延伸至所述双扭矩梁背钳装置下方，所述吊环底端安装有吊卡，所述吊卡上设有供钻杆穿过的通孔。

本发明的钻井装置能够克服12000米钻探中带来的钻探深度大以及钻探地形复杂问题，将钻探深度提高了一个新的高度。

附图说明

以下结合附图来对本发明进行进一步说明：

图1为本发明的整体视图；

图2为本发明中游车以及平衡机构的示意图；

图3为本发明中传动动力箱的示意图；

图4为本发明中水平伸缩移动机构的示意图；

图5为本发明中旋转头总成的示意图；

图6为本发明中倾斜系统的示意图；

图7为本发明中双扭矩梁背钳装置的示意图；

其中：100-平衡机构，200-水平伸缩移动机构，300-冲管盘根装置，400-传动动力箱，500-旋转头总成，600-倾斜系统，700-双扭矩梁背钳装置，800-中心管，900-转换接头，101-承载提环，102-平衡油缸，103-卸扣，201-导向滑车，202-上支撑臂，203-下支撑臂，204-支架，401-电机，402-轴突，403-吊耳，404-下箱体，405-上箱体，501-着陆套，502-推力轴承，503-悬挂体，504-马达，505-齿轮，601-倾斜油缸，602-摆架，603-吊环，604-连杆，701-提升油缸，702-反扭矩梁，703-背钳体，704-固定轴。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明进行进一步阐述：

如图1所示，一种钻机用顶部驱动钻井装置，包括上端通过游车吊运的平衡机构100，固定于平衡机构100下方的动力传送箱，该动力传送箱固定在位于其一侧的水平伸缩移动机构200上，传动动力箱400为穿设于传动动力箱400中的中心管800提供动力，动力传送箱顶部设有冲管盘根装置300，能够在固定中心管800的同时保证中心管800的自由旋转，中心管800竖直向下延伸，穿过用于将旋转头载荷承加在中心管800上的旋转头总成500后与转换接头900相连，转换接头900穿过用于承受钻头反扭矩的双扭矩梁背钳装置700后与钻杆相接，通过中心管800驱动钻杆进行钻探。

如图2所示，该游车包括与吊索相接的滑轮，滑轮两侧安装有侧板，侧板底部固定有安装座，承载提环101设于安装座上，承载提环101顶部设有腰孔，安装座上设有穿在腰孔中的销轴从而将承载提环101连接在安装座上，平衡机构100包括设于侧板上的卸扣103，与卸扣103通过链条相接的平衡油缸102，平衡油缸102与固定在承载提环101上的固定套相接，在本发明中，承载提环101共有两根且并列铰接在安装座上，每根承载提环101均对应设于侧板的正下方，卸扣103共设有四个，分别对应安装在每一块侧板的边缘两端，卸扣103和与之相对应的与四个平衡油缸102相接，平衡油缸102与固定套间斜向连接，从而形成一个三角形的结构，结构稳固牢靠，当需要脱扣时，平衡油缸102拉动承载提环101，由于承载提环101顶部的腰孔与销轴间还存在一定残余间隙，平衡油缸102将拉动承载提环101升起，为顶驱本体提供了一个拉力以起到协助脱扣的效果。

如图3所示，该传动动力箱400采用如下结构，其包括箱体，贯穿箱体的中心管800，设于箱体顶部两侧的电机401，电机401的动力通过传动装置传输给中心管800，该中心管800为空心，空心管中设有泥浆通道，空心管顶部与冲管盘根装置300相连，冲管盘根装置300与空心管中的泥浆通道相连，起到动，静密封的转换且在从泥浆通道中抽取泥浆时候不会导致泥浆外泄，箱体分为上箱体405、下箱体404两部分，上箱体405、下箱体404配合面位于箱体中间水平面以下，增强上箱体405强度以满足更高的承受能力。

该箱体顶部设有与承载提环101底部吊口相匹配的两组吊耳403，吊耳403与承载提环101间通过提环销轴连接，提环吊于箱体顶部的中间位置从而使其能够保持平衡。

如图4所示，该水平伸缩移动机构200由导向滑车201、上支撑臂202、下支撑臂203和支架204组成，导向滑车201与钻机井架所属导轨配合，在顶驱上、下运动时起导向和传递顶驱反扭矩作用，保持箱体与支架204相对固定，上支撑臂202和下支撑臂203各两个，通过销轴分别与导向滑车201和支架204联接，最终使导向滑车201与支架204相联形成平行四边形，在伸缩油缸推力作用下可实现支架204与传动动力箱400自由伸缩移动，支架204整体呈L形，其水平段与垂直段上均设有吊孔，吊孔与位于传动动力箱400上箱体两侧的轴突402连接进行固定，从而使动力传送箱能够通过水平伸缩移动机构200进行横向移动，方便拆卸安装钻头与钻具以及对顶驱进行维护。

如图5所示，该中心管800从动力传送箱处向下延伸并穿入旋转头总成500内，该旋转总成包括套设在中心管800外的悬挂体，悬挂体内设有套设在中心管800上的推力轴承502和着陆套501，悬挂体上方设有马达504与一对齿轮505，可以在马达与齿轮的驱动下进行一定角度的偏转，悬挂体两侧设有吊扣，吊环603固定在该吊扣内，吊环603底部设有吊卡，中心管800穿过动力传送箱后，通过转换接头与转换接头900相连，转换接头900穿过吊卡上的通孔后与钻杆进行安装。

如图6所示，倾斜系统600安装在悬挂体上，该倾斜系统600包括缸体一端固定在悬挂体顶部一侧的倾斜油缸601，该倾斜油缸601的活塞杆一端与摆架602铰接，该摆架602中部位置与位于悬挂体侧壁上的销轴铰接，摆架602另一端与连杆604相连，连杆604另一端固定在吊环603臂上，倾斜系统600工作时，倾斜油缸驱动活塞前推，摆架602围绕位于其中部位置的销轴旋转构成一个简易杠杆，摆架602带动位于其一端的连杆604推动吊环603倾斜，由此使得悬吊于吊环603底部的吊卡能够进行偏转，并通过旋转头上旋转马达的协同作用使得钻头能够三百六十度无死角的偏转指向各个方位。具有很高的灵活性。

如图7所示，该双扭矩梁背钳装置700包括两条并排布置且与悬挂体间通过固定轴704连接的反扭矩梁702，反扭矩梁702上设有滑轨，滑轨上安置有背钳体703，背钳体703上设有带有钳牙的通孔，能够用于钳住钻杆，此外，该两条反扭矩梁702相互面对的一侧还设有两个能够驱动背钳体703在滑轨上上下运行的提升油缸701。

本发明中，钻杆为能够通过螺纹固定在一起的空心螺纹管，多根钻杆之间通过螺纹一段段连接起来从而能够适应更大的深度。

本发明运行时，背钳体703内的钳牙松开，传动动力箱400驱动中心管800以带动钻杆旋转进行钻探，到钻探到一定深度钻杆长度不足时，需要对钻杆进行卸扣103并加装一段新的钻杆，从而能够继续进行钻探，卸扣103的操作如下：驱动提升油缸701将背钳体提起一定高度后钳住钻杆，随后一边反转中心管800旋下钻杆，一边在旋下钻杆的同时启动平衡油缸102提起承载提环101以及驱动提升油缸701让背钳体下降，由于承载提环101顶部的腰孔与销轴之间还设有一定的间隙，承载提环101会被略微提起一定高度，与承载提环101相连的旋转头总成500也随之上升，配合提升油缸701驱动背钳体下降，从而获得了足够的间距用于容纳旋下钻杆时钻杆露出的螺纹部，防止顶驱重量压在钻杆上，减小了钻杆故障率。

综合以上叙述，本发明具有如下的优点：

1、承载提环101通过额外加装卸扣103和平衡油缸102，具有高强度的优点，其以两根为一组的承载提环101能够承载9000kN的应力；

2、采用了水平伸缩移动装置，可实现顶驱本体在井眼与导轨间的范围内移动，为钻井过程中其他操作留出足够空间，提高作业效率；

3、传动动力箱400通过两台对称布置的电机401传递扭矩，运行平衡、噪音小，可实现大扭矩输出的使用要求；

4、采用倾斜系统600以及能够进行旋转的旋转头总成500，能够使钻头三百六十度全方位的进行偏转，更好的适应钻探环境。

5、采用双扭矩梁背钳装置700，能够有效承受卸扣时的反扭矩，上扣时公母扣对中性好。

综合以上优点，使得本发明的钻井装置能够克服12000米钻探中带来的钻探深度大以及钻探地形复杂问题，将钻探深度提高了一个新的高度。

但是，本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (8)

1.一种钻机用顶部驱动钻井装置，包括上端通过游车吊运的平衡机构(100)，固定于平衡机构(100)下方的传动动力箱(400)，传动动力箱(400)为穿设于其中的中心管(800)提供动力，所述中心管(800)向下延伸穿过旋转头总成(500)后与转换接头(900)相连，转换接头(900)穿过连接于旋转头总成(500)下方的双扭矩梁背钳装置(700)后与钻杆相接，其特征在于：所述游车包括通过吊索吊起的滑轮，设于滑轮两侧的侧板，设于侧板底部的安装座，设于安装座上的承载提环(101)，所述承载提环(101)顶部设有腰孔，安装座上设有穿在腰孔中的销轴从而将承载提环(101)连接在安装座上，所述腰孔与销轴间留有间隙，所述平衡机构(100)包括设于侧板上的卸扣(103)，与卸扣(103)相接的平衡油缸(102)，平衡油缸(102)与固定在承载提环(101)上的固定套相接，所述双扭矩梁背钳装置(700)包括两根并列布置且与旋转头总成(500)相接的反扭矩梁(702)，能够在两根反扭矩梁(702)之间滑动的背钳体(703)以及固定在反扭矩梁(702)上用于驱动背钳体上下滑动的提升油缸(701)，背钳体(703)上设有供转换接头(900)穿过的开孔，开孔内设有能够卡住转换接头(900)的油缸和钳牙。

2.按照权利要求1所述的钻机用顶部驱动钻井装置，其特征在于：所述承载提环(101)共有两根且并列铰接在安装座上，卸扣(103)共设有四个，分别对应安装在每一块侧板的边缘两端，卸扣(103)分别和与之相对应的与四个平衡油缸(102)相接，平衡油缸(102)分设于固定套的两端，且与固定套间斜向连接构成一个三角结构。

3.按照权利要求1所述的钻机用顶部驱动钻井装置，其特征在于：所述传动动力箱(400)包括箱体，贯穿箱体的中心管(800)，设于箱体顶部两侧的电机(401)，电机(401)通过传动装置传输动力给中心管(800)，所述中心管(800)中间设有泥浆通道，中心管(800)与安置在箱体顶部的冲管盘根装置(300)相连。

4.按照权利要求3所述的钻机用顶部驱动钻井装置，其特征在于：所述箱体顶部设有与承载提环(101)下端销口相匹配的两组吊耳(403)，吊耳(403)与承载提环(101)间通过提环销轴连接。

5.按照权利要求1所述的钻机用顶部驱动钻井装置，其特征在于：所述动力传动箱固定在位于其一侧的水平伸缩移动机构(200)上，所述水平伸缩移动机构(200)由导向滑车(201)、上支撑臂(202)、下支撑臂(203)和支架(204)组成，导向滑车(201)与钻机井架所属导轨配合，上支撑臂(202)和下支撑臂(203)各两个，通过销轴分别与导向滑车(201)和支架(204)联接，使导向滑车(201)与支架(204)相联形成平行四边形，所述支架(204)与所述传动动力箱(400)的箱体连接。

6.按照权利要求1所述的钻机用顶部驱动钻井装置，其特征在于：所述旋转头总成(500)包括套设在中心管(800)外的悬挂体(503)，设于悬挂体(503)上方的马达(504)与齿轮(505)，所述悬挂体(503)能够在马达(504)与齿轮(505)的驱动下进行转动，所述中心管(800)穿过所述悬挂体(503)后与所述转换接头(900)相接，悬挂体(503)还内设有套设在所述中心管(800)上的推力轴承(502)和着陆套(501)。

7.按照权利要求6所述的钻机用顶部驱动钻井装置，其特征在于：所述悬挂体(503)两侧设有吊扣，吊环固定在所述吊扣内，所述悬挂体(503)上还设有能够偏转所述吊环的倾斜系统(600)。

8.按照权利要求7所述的钻机用顶部驱动钻井装置，其特征在于：所述吊环竖直向下延伸至双扭矩梁背钳装置(700)下方，所述吊环底端安装有吊卡，所述吊卡上设有供钻杆穿过的通孔。