CN108868663B - 一种新型液压顶驱系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石油及天然气钻探设备技术领域，特别涉及一种液压顶驱系统，该液压顶驱系统包括平衡系统、与平衡系统活动连接的提环，动力传动系统，分别与动力传动系统进行固定连接的提环、液压系统、滑车、冲管总成、S管总成、盘刹装置及自动内防喷器，与动力传动系统进行活动连接的吊环倾斜机构，自动内防喷器，与自动内防喷器固定连接的缓冲接头，与缓冲接头固定连接的保护接头，与保护接头固定连接的背钳，传感器销轴，该顶驱的实现可以缓解顶驱各部件压力，减少了顶驱承受的冲击并实现了顶驱悬重的实时监测同时降低了整个设备的重量。

Description

一种新型液压顶驱系统

技术领域

本发明涉及石油及天然气钻探设备技术领域，特别涉及一种能实时监测顶驱悬重，简化顶驱结构，适用于修井、钻井和强行下管柱作业的新型液压顶驱系统。

背景技术

齿轮齿条钻机是应用齿轮齿条技术带动顶部驱动钻井装置（简称顶驱）直接起、下钻具，完成钻井作业的钻井装置，它取消了传统石油钻机的绞车、天车、游车、大钩以及钻井钢丝绳，由齿轮齿条啮合产生的推、拉力来为钻头提供钻压，常规石油钻机只能施加向上的提升力，不能主动施加钻压，而齿轮齿条钻机解决了上述问题，依靠齿轮齿条的啮合运动，既能对钻柱提供上拉力又能提供下推力，可实现修井、钻井和强行下管柱作业的快速转化，较好地解决了水平井技术和大位移井技术开发浅层油气藏的钻压问题。

液压顶驱在同等功率下相比电动顶驱具有体积小、重量轻等特点，广泛应用于小型钻修井机上，解决了齿轮齿条钻机空间布局问题，常规顶驱主轴在钻井过程中受绞车钢丝绳的拉力，顶驱主轴在提环及推力轴承的作用下，下部钻具始终处于“提”着钻的状态，即顶驱始终受向上的提升力，而齿轮齿条钻机，需要顶驱不仅能够承受向上的提升力，同时需要传递由提推系统齿轮齿条啮合产生的下推力，即“推”着钻、主动施加钻压。这种由提推系统施加的钻压，常规顶驱结构是不满足要求的。

现有技术存在以下问题：

1、现有技术的顶驱主轴在钻井过程中受绞车钢丝绳的拉力，顶驱主轴在提环及推力轴承的作用下，下部钻具始终处于“提”着钻的状态，即顶驱始终受向上的提升力；

2、现有技术的顶驱采用电机驱动，配备有齿轮减速箱，体积重大；

3、现有技术的顶驱无法实现顶驱悬重的监测；

4、顶驱导轨为单独配备的机构，增加了设备的重量。

为解决上述问题，需要发明一种新型液压顶驱系统，使得顶驱既能提着钻也能推着钻，简化顶驱结构，实现顶驱悬重的监测。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种能够实现既能提着钻也能推着钻的顶驱，简化顶驱结构，实现顶驱悬重的监测的新型液压顶驱系统。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案。

一种新型液压顶驱系统，包含有背钳、保护接头、与所述保护接头固定连接的自动内防喷器、吊环倾斜机构、S管总成、冲管总成，还包括：

平衡系统，所述平衡系统包括平衡油缸，与所述平衡油缸活动连接的油缸拉杆，所述油缸拉杆与推提系统进行活动连接，所述平衡油缸的数量为2个，所述油缸拉杆的数量与所述平衡油缸的数量匹配；

提环，所述提环通过传感器销轴与所述推提系统进行活动连接，所述提环的数量为2个，所述提环与所述推提系统连接的一端加工有条形连接孔，所述传感器销轴数量与所述提环的数量一致，所述传感器销轴实时监测顶驱悬重同时承受顶驱和与顶驱相连的钻具的重量；

动力传统系统，所述动力传输系统包括主轴，与所述主轴活动连接的提升箱体，依次套接在所述主轴外圈的轴承一、轴承二、轴承三和轴承四，与所述提升箱体固定连接的液压马达，所述液压马达通过花键与所述主轴进行固定连接，所述液压马达直接驱动所述主轴转动，所述背钳、吊环倾斜机构、S管总成和冲管总成与所述提升箱体固定连接，所述提环与所述提升箱体进行固定连接且分别位于所述提升箱体的两侧，所述液压马达为低速大扭矩空心轴液压马达，所述轴承一和轴承四主要用于扶正所述主轴，确保所述主轴在转动过程中的对中性，所述轴承三是推力轴承，当顶驱处于悬挂状态时，所述轴承三承受所述主轴下方钻具的重量，并保证所述主轴的旋转，所述轴承二在钻井过程中承受由井底沿钻具向上的冲击力，同时当顶驱主动施加压力进行钻井时，所述轴承二承受向下的压力；

液压系统，所述液压系统包含有蓄能器，与所述提升箱体固定连接的管子处理阀组、主马达控制阀组、自由轮阀组、油缸及管路附件，所述蓄能器与所述提升箱体固定连接，所述蓄能器的数量为2个，所述主马达控制阀组用于所述液压马达的压力控制同时继承反扭矩释放功能，所述自由轮阀组实现所述液压马达的全、半排量切换，进而完成顶驱高、低速的切换；

滑车，所述滑车与所述提升箱体固定连接；

盘刹装置，所述盘刹装置由液压刹车钳和刹车盘组成，所述液压刹车钳与所述提升箱体固定连接，所述刹车盘与所述主轴固定连接；

缓冲接头，所述缓冲接头连接固定连接在所述保护接头和自动内防喷器之间，所述缓冲接头上部与所述自动内防喷器进行固定连接，所述缓冲接头的下部与所述保护接头的上部进行固定连接，所述缓冲接头在钻井过程中即承受所述主轴产生的扭矩，同时在下压钻井过程中吸收部分钻井冲击力，延长所述轴承一、轴承二、轴承三和轴承四的寿命。

作为本发明的优选方案，所述油缸拉杆通过销轴与所述推提系统底部设置的双耳板一进行活动连接，所述平衡油缸与所述提环活动连接，所述提环为板式结构，所述提环的一端通过所述传感器销轴与所述推提系统底部设置的双耳板二进行活动连接，所述提环的另一端通过销轴与所述提升箱体进行活动连接。

作为本发明的优选方案，所述油缸拉杆为一板材，所述油缸拉杆两端加工成半圆形，所述油缸拉杆两端分别加工有连接孔，所述油缸拉杆的一端通过销轴与所述双耳板通过销轴进行活动连接，所述油缸拉杆的另一端与所述平衡油缸的顶部通过销轴活动连接，所述油缸底部与所述提环内侧壁上设置的双耳板三通过销轴活动连接。

作为本发明的优选方案，所述滑车由滑车架、与所述滑车架活动连接的承载轮和导向轮组成，所述滑车数量为2个。

作为本发明的优选方案，所述滑车架由顶板、与所述顶板固定连接的双耳板四、上支撑板、下支撑板和连接板、与所述连接板固定连接的底板组成，所述上支撑板和下支撑板还与所述连接板固定连接。

作为本发明的优选方案，所述顶板上均匀开设有N个安装孔，其中N≥2，N个所述安装孔的中心线不在一条直线上，N个所述安装孔的中心线分布在所述顶板中心线的两侧，即第一个所述安装孔的中心线位于所述顶板中心线的左侧，第二个所述安装孔的中心线位于所述顶板中心线的右侧，第三个所述安装孔的中心线位于所述顶板中心线的左侧，第四个所述安装孔的中心线位于所述顶板中心线的右侧，以此类推，每个所述安装孔之间的间距一致，分布在所述顶板中心线左侧的所述安装孔的中心线重合，分布在所述顶板中心线右侧的所述安装孔的中心线重合。

作为本发明的优选方案，所述双耳板四的数量为2个，分别位于所述顶板前部上端和下端，所述导向轮的数量为2个，所述导向轮通过销轴四与所述双耳板四活动连接，所述承载轮由滚轮和滚轮轴组成，所述滚轮轴穿过所述安装孔与所述顶板固定连接，所述滚轮与所述滚轮轴进行活动连接。

作为本发明的优选方案，所述滑车架与齿条导轨匹配，所述齿条导轨还与所述推提系统的齿轮匹配，所述齿条导轨与井架固定连接，所述齿条导轨的数量为2个，每个所述齿条导轨由两根齿条组成，所述两根齿条平行固定在所述井架上，所述导向轮和承载轮在两根所述齿条之间的间隙内沿着所述齿条上下移动，所述主轴在高速运转过程中产生的反扭矩通过所述提升箱体和滑车传递至所述齿条导轨，再由所述齿条导轨传递给井架。

作为本发明的优选方案，所述提升箱体上分别开设有为所述轴承一、轴承二、轴承三和轴承四进行润滑的注脂通道，所述注脂通道口安装有注脂油嘴，所述轴承一、轴承二、轴承三和轴承四均采用脂润滑，去除了稀油润滑系统。

作为本发明的优选方案，所述液压刹车钳的数量为M个，所述M≥2，所述液压刹车钳均匀分布在所述主轴的四周。

作为本发明的优选方案，所述液压刹车钳由刹车钳支架、刹车钳活塞和刹车片组成，所述刹车钳支架与所述提升箱体固定连接，所述刹车钳活塞与所述刹车钳支架固定连接，所述刹车钳活塞与所述刹车片固定连接，所述刹车片分布在所述刹车盘的上下部，对所述刹车盘呈夹持姿势，进行制动时，所述液压系统给所述刹车钳活塞施加压力，所述刹车钳活塞带动所述刹车片夹紧所述刹车盘实现制动。

工作过程：

提着钻：该状态时井底下的钻杆会将所述缓冲接头拉长，由于缓冲接头是一种活塞式的接头，故当受到提力时，为了保持平衡并减缓冲击，缓冲接头的活塞杆会被拉出来，此时平衡系统的活塞杆也会被拉出来。

压着钻：该状态时由于提推系统强行下压，钻柱部分会受到向下的压力，此时缓冲接头在压力的作用下活塞杆会收回，此时平衡油缸活塞杆也会缩回去，由于提环是条形孔，因此推提系统整体下移。

平衡系统的作用：活塞杆和缸体之间会有相对位移，即油缸的行程，在卸扣的过程中，井底的钻杆（母扣）是不动的，顶驱保护接头（公扣）必须往上走螺纹才能退的出来，所以卸扣的时候，平衡油缸一边往上拉顶驱、顶驱主轴一边旋转，这样最终丝扣才能脱离出来，平衡油缸用于控制上提的拉力，使得丝扣在退出来的时候不会受力太大，从而避免把接头螺纹丝扣损伤。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、顶驱即可承受向上的提升力，也可承受向下的推压力，当顶驱受到向下的推压力时，通过缓冲接头降低顶驱各部件的轴向冲击载荷；

2、采用液压马达直接驱动，去除了齿轮减速箱，体积变小，降低了顶驱的重量，所述主轴在高速运转过程中产生的反扭矩通过所述提升箱体和滑车传递至所述齿条导轨，再由所述齿条导轨传递给井架，由井架分担了原本顶驱提升箱体承受的反扭矩；

3、采用传感器销轴实现了顶驱悬重的实时监测；

4、顶驱导轨借用所述推提系统的齿条传动机构，降低了设备的重量。

附图说明

图1为整个钻井设备正视图；

图2为本发明立体图一；

图3为本发明立体图二；

图4为本发明动力传动系统正面剖视图；

图5为本发明动力传动系统注脂结构局部放大图；

图6为本发明平衡系统立体图；

图7为本发明滑车立体图；

图8为本发明滑车与齿条导轨匹配正视图；

图9为本发明滑车与齿条导轨匹配立体图；

图10为本发明盘刹系统立体图；

图11为本发明顶驱与推提系统连接部分正视图；

图12为本发明顶驱与推提系统连接部分局部放大图。

图中标记：1’-井架，2’-推提系统，2’1-双耳板一，2’2-双耳板二，3’-齿条导轨，4’-底座，01-平衡系统，011-平衡油缸，012-油缸拉杆，013-销轴一，014-销轴二，015-销轴三，02-提环，021-双耳板三，03-液压系统，031-蓄能器，032-管子处理阀组，033-主马达控制阀组，034-自由轮阀组，04-动力传动系统，041-主轴，042-提升箱体，043-轴承一，044-轴承二，045-轴承三，046-轴承四，047-液压马达，048-注脂油嘴，049-注脂通道，05-滑车，051-滑车架，052-承载轮，0521-滚轮，0522-滚轮轴，053-导向轮，0511-顶板，0512-上支撑板，0513-下支撑板，0514-连接板，0515-底板，0516-双耳板四，0517-销轴四，06-吊环倾斜机构,07-冲管总成，08-S管总成，09-盘刹装置，091-液压刹车钳，0911-刹车钳支架，0912-刹车钳活塞，0913-刹车片，092-刹车盘，10-自动内防喷器，11-缓冲接头，12-保护接头，13-背钳，14-传感器销轴。

具体实施方式

下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述，但不应将此理解为本发明上述主体的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示，整个钻机系统由井架1’、推提系统2’、顶驱1、齿条导轨3’和底座4’组成，井架1’与底座4’固定连接，推提系统2’与井架1’通过齿条导轨3’活动连接，顶驱1与齿条导轨3’活动连接。

如图2所示，顶驱1由平衡系统01、2个提环02、液压系统03、动力传动系统04、2个滑车05、吊环倾斜机构06、冲管总成07、S管总成08、盘刹装置09、自动内防喷器10、缓冲接头11、保护接头12、背钳13和传感器销轴14组成，平衡系统01与提环02进行活动连接，提环02、液压系统03、滑车05、冲管总成07、S管总成08、盘刹装置09及自动内防喷器10分别与动力传动系统04进行固定连接，S管总成08还与冲管总成07进行固定连接，吊环倾斜机构06与动力传动系统04进行活动连接，缓冲接头11的两头分别与自动内防喷器10和保护接头12的一端固定连接，背钳13与保护接头12的另一端固定连接。

如图4和图5所示，动力传动系统04包括主轴041，与主轴041活动连接的提升箱体042，依次套接在主轴041外圈的轴承一043、轴承二044、轴承三045和轴承四046，与提升箱体042固定连接的液压马达047，液压马达047通过花键与主轴041进行固定连接，液压马达047直接驱动主轴041转动，吊环倾斜机构06、S管总成08和冲管总成07分别与提升箱体042固定连接，S管总成08还与冲管总成07固定连接，提环02与提升箱体042固定连接且分别位于提升箱体042的左右两侧，提升箱体042上在与轴承一043、轴承二044、轴承三045和轴承四046对应的位置开设有为轴承一043、轴承二044、轴承三045和轴承四046进行润滑的注脂通道049，在注脂通道049的开口处设置有注脂油嘴048，本实施例的轴承均采用脂润滑，在其他实施例中根据设计需要也可以采用液体润滑。

如图3所示，液压系统03由蓄能器031、管子处理阀组032、主马达控制阀组033、自由轮阀组034和油缸及管路附件组成，本实施例中，因为油缸及管路附件过大过多且均为外购现有技术设备故没在图中标出，蓄能器031与提环02固定连接，管子处理阀组032、主马达控制阀组033、自由轮阀组034和油缸及管路附件分别与提升箱体042固定连接。

如图6、图11和图12所示，平衡系统01包括平衡油缸011，与平衡油缸011活动连接的油缸拉杆012，油缸拉杆012的一端通过销轴一013与推提系统2’底部设置的双耳板一2’1进行活动连接，油缸拉杆012的另一端与平衡油缸011的顶部通过销轴二014活动连接，平衡油缸011底部与提环02内侧壁上设置的双耳板三021通过销轴三015活动连接，平衡油缸011的数量为2个，油缸拉杆012的数量与平衡油缸011的数量匹配，提环02通过传感器销轴14与推提系统2’底部设置的双耳板二2’2进行活动连接，油缸拉杆012为一板材，油缸拉杆012两端加工成半圆形，油缸拉杆012两端分别加工有连接孔，油缸拉杆012与推提系统2’活动连接的一端的连接孔为条形孔。

如图7、图8和图9所示，滑车05由滑车架051、与滑车架051活动连接的承载轮052和导向轮053组成，滑车05数量为2个，分别位于提升箱体042的两侧并与提升箱体042固定连接，滑车架051由顶板0511、与顶板0511固定连接的双耳板四0516、上支撑板0512、下支撑板0513和连接板0514、与连接板0514固定连接的底板0515、销轴四0517组成，其中上支撑板0512和下支撑板0513还与连接板0514固定连接，顶板0511上均匀开设有6个安装孔，6个安装孔的中心线不在一条直线上分布在顶板中心线的两侧，即第一个安装孔的中心线位于顶板中心线的左侧，第二个安装孔的中心线位于顶板中心线的右侧，第三个安装孔的中心线位于顶板中心线的左侧，第四个安装孔的中心线位于顶板中心线的右侧，第五个安装孔的中心线位于顶板中心线的左侧，第六个安装孔的中心线位于顶板中心线的右侧，每个安装孔之间的间距一致，分布在顶板中心线左侧的三个安装孔的中心线重合，分布在顶板中心线右侧的三个安装孔的中心线重合，在其他实施例中，顶板0511上开设的安装孔可根据设计及使用需求进行增减，双耳板四0516的数量为2个，分别位于顶板0511前部的上端和下端，导向轮053的数量为2个，导向轮053通过销轴四0517与双耳板四0516活动连接，承载轮052由滚轮0521和滚轮轴0522组成，滚轮轴0522穿过安装孔与顶板0511固定连接，滚轮0522与滚轮轴0521进行活动连接；滑车架051与齿条导轨4’匹配，齿条导轨4’还与所述推提系统2’的齿轮匹配，齿条导轨4’与井架1’固定连接，齿条导轨4’的数量为2个分别位于井架的内两侧，每个齿条导轨4’由两根齿条组成，两根齿条平行固定在井架1’上，导向轮053和承载轮052在两根齿条形成的间隙内上下移动。

如图4和图10所示，盘刹装置09由液压刹车钳091和刹车盘092组成，液压刹车钳091与提升箱体042固定连接，刹车盘092与主轴041固定连接，本实施例中液压刹车钳的数量为2个，液压刹车钳091均匀分布在主轴041的四周且对称分布，液压刹车钳091由刹车钳支架0911、刹车钳活塞0912和刹车片0913组成，刹车钳支架0911与提升箱体042固定连接，刹车钳活塞0912与刹车钳支架0911固定连接，刹车钳活塞0912与刹车片0913固定连接，刹车片0913分布在刹车盘092的上下部，对刹车盘092呈夹持姿势。

Claims (11)

1.一种新型液压顶驱系统，包含有背钳、保护接头、与所述保护接头固定连接的自动内防喷器、吊环倾斜机构、S管总成、冲管总成，其特征在于还包括：

平衡系统，所述平衡系统包括平衡油缸，与所述平衡油缸活动连接的油缸拉杆，所述油缸拉杆与推提系统进行活动连接，所述平衡油缸的数量为2个，所述油缸拉杆的数量与所述平衡油缸的数量匹配；

提环，所述提环通过传感器销轴与所述推提系统进行活动连接，所述提环的数量为2个，所述提环与所述推提系统连接的一端加工有条形连接孔，所述传感器销轴的数量与所述提环的数量一致；

动力传动系统，所述动力传动系统包括主轴，与所述主轴活动连接的提升箱体，依次套接在主轴外圈的轴承一、轴承二、轴承三和轴承四，与所述提升箱体固定连接的液压马达，所述液压马达通过花键与所述主轴进行固定连接，所述液压马达直接驱动所述主轴转动，所述吊环倾斜机构、S管总成和冲管总成与所述提升箱体固定连接，所述提环与所述提升箱体进行固定连接且分别位于所述提升箱体的两侧；

液压系统，所述液压系统包含有2个蓄能器，与所述提升箱体固定连接的管子处理阀组、主马达控制阀组、自由轮阀组、油缸及管路附件，所述蓄能器与所述提环固定连接；

滑车，所述滑车与所述提升箱体固定连接；

盘刹装置，所述盘刹装置由液压刹车钳和刹车盘组成，所述液压刹车钳与所述提升箱体固定连接，所述刹车盘与所述主轴固定连接；

缓冲接头，所述缓冲接头固定连接在所述保护接头和自动内防喷器之间，所述缓冲接头的上部与所述自动内防喷器进行固定连接，所述缓冲接头的下部与所述保护接头的上部进行固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种新型液压顶驱系统，其特征在于：所述油缸拉杆通过销轴与所述推提系统底部设置的双耳板一进行活动连接，所述平衡油缸与所述提环活动连接，所述提环通过所述传感器销轴与所述推提系统底部设置的双耳板二进行活动连接。

3.根据权利要求2所述的一种新型液压顶驱系统，其特征在于：所述油缸拉杆为一板材，所述油缸拉杆两端加工成半圆形，所述油缸拉杆两端分别加工有条形连接孔，所述油缸拉杆的一端与所述双耳板一通过销轴一进行活动连接，所述油缸拉杆的另一端与所述平衡油缸的顶部通过销轴二活动连接，所述平衡油缸的底部与所述提环的内侧壁上设置的双耳板三通过销轴三活动连接。

4.根据权利要求1所述的一种新型液压顶驱系统，其特征在于：所述滑车由滑车架、与所述滑车架活动连接的承载轮和导向轮组成，所述滑车的数量为2个。

5.根据权利要求4所述的一种新型液压顶驱系统，其特征在于：所述滑车架由顶板、与所述顶板固定连接的双耳板四、上支撑板、下支撑板和连接板、与所述连接板固定连接的底板组成，所述上支撑板和下支撑板还与所述连接板固定连接。

6.根据权利要求5所述的一种新型液压顶驱系统，其特征在于：所述顶板上均匀开设有N个安装孔，其中N≥2，N个所述安装孔的中心线不在一条直线上，N个所述安装孔的中心线分布在顶板中心线的两侧，即第一个所述安装孔的中心线位于所述顶板中心线的左侧，第二个所述安装孔的中心线位于所述顶板中心线的右侧，第三个所述安装孔的中心线位于所述顶板中心线的左侧，第四个所述安装孔的中心线位于所述顶板中心线的右侧，以此类推，每个所述安装孔之间的间距一致，分布在所述顶板中心线左侧的所述安装孔的中心线重合，分布在所述顶板中心线右侧的所述安装孔的中心线重合。

7.根据权利要求6所述的一种新型液压顶驱系统，其特征在于：所述双耳板四的数量为2个，分别位于顶板前部的上端和下端，所述导向轮的数量为2个，所述导向轮通过销轴四与所述双耳板四活动连接，所述承载轮由滚轮和滚轮轴组成，所述滚轮轴穿过所述安装孔与所述顶板固定连接，所述滚轮与所述滚轮轴进行活动连接。

8.根据权利要求4所述的一种新型液压顶驱系统，其特征在于：所述滑车与齿条导轨匹配，所述齿条导轨还与所述推提系统的齿轮匹配，所述齿条导轨与井架固定连接，所述齿条导轨的数量为2个，每个所述齿条导轨由两根齿条组成，所述两根齿条平行固定在所述井架上，所述导向轮和承载轮在所述两根齿条之间的间隙内沿着齿条上下移动。

9.根据权利要求1所述的一种新型液压顶驱系统，其特征在于：所述提升箱体上分别开设有为所述轴承一、轴承二、轴承三和轴承四进行润滑的注脂通道，注脂通道口安装有注脂油嘴。

10.根据权利要求1所述的一种新型液压顶驱系统，其特征在于：所述液压刹车钳的数量为M个，所述M≥2，所述液压刹车钳均匀分布在所述主轴的四周。

11.根据权利要求10所述的一种新型液压顶驱系统，其特征在于：所述液压刹车钳由刹车钳支架、刹车钳活塞和刹车片组成，所述刹车钳支架与所述提升箱体固定连接，所述刹车钳活塞与所述刹车钳支架固定连接，所述刹车钳活塞与所述刹车片固定连接，所述刹车片分布在所述刹车盘的上下部，对所述刹车盘呈夹持姿势。