CN109154180B - 用于钻探设备的钻探驱动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于钻探设备的钻探驱动器，其具有马达，驱动器轴由马达旋转地驱动，驱动器轴以可旋转的方式支撑在具有轴承布置的壳体中，轴承布置至少具有径向轴承、第一轴向轴承和第二轴向轴承，其中，第一力测量装置布置在第一轴向轴承上用于确定第一轴向轴承上的第一轴向力，第二力测量装置布置在第二轴向轴承上用于确定第二轴向轴承上的第二轴向力。此外，本发明涉及尤其用于油或气体钻探的钻探设备，其具有钻探桅杆，具有钻探工具的钻柱沿着钻探桅杆布置，其中，根据本发明的钻探驱动器以可移位的方式支撑在钻探桅杆上以旋转地驱动钻柱。

Description

用于钻探设备的钻探驱动器

本发明涉及一种用于钻探设备的钻探驱动器，并涉及一种尤其用于油或气体钻探的钻探设备。

尤其用于油和气体钻探操作的钻探驱动器通常具有驱动钻柱的驱动器轴。驱动器轴由轴承布置来支撑，轴承布置用于在轴向位置和在径向位置稳定驱动器轴。

为了承受和传递驱动扭矩以及由钻柱产生的径向弯曲力，可以提供径向轴承。这些径向轴承可以是圆柱滚柱轴承和锥形滚柱轴承，其轴向力分量可以抵消额外的轴向轴承。为了承受在轴向方向上作用的驱动器轴的力，通常提供轴向轴承。

由于在用于油和气体的钻探中钻探进度以及钻头的磨损在很大程度上取决于钻头的负荷的事实，所以除了磨削材料的耐磨性外，对于钻探设备的操作而言需要尽可能精确地知道钻头上的负荷。为此目的，如所已知的，钻头具有例如测量施加在钻头上的压力并通过管线或其他传动装置将其沿向上方向转发给钻探员的传感器。从钻头传输测量值涉及相当大的努力，并且由额外的误差源标记。

测量钻头上的负荷的另一种可能性是在钻柱开始之前在旋转驱动器下方安装负荷测量单元。由于负荷测量单元在操作期间与驱动器轴共同旋转，因此必须配备能量存储以将测量值传输给钻探员。

此外，测量不准确性的促成因素是在轴承布置中起主导作用的预应力，通过该预应力施加在驱动器轴上的所施加负荷偏离钻头上的负荷。

因此，本发明基于此目的而提供一种能够分别对钻头和驱动器轴上的实际负荷实现尤其简单的而又精确的确定的用于钻探设备的钻探驱动器。

该目的一方面通过具有权利要求1的特征的用于钻探设备的钻探驱动器且另一方面通过具有权利要求12的特征的尤其用于油和气体钻探的钻探设备来实现。在各个从属权利要求中陈述了本发明的优选实施例。

根据本发明的用于钻探设备的钻探驱动器的特征在于，所述钻探驱动器具有马达，驱动器轴由所述马达旋转地驱动，所述驱动器轴以可旋转的方式支撑在具有轴承布置的壳体中，所述轴承布置至少具有径向轴承、第一轴向轴承和第二轴向轴承，其中，第一力测量装置布置在所述第一轴向轴承上用于确定所述第一轴向轴承上的第一轴向力，第二力测量装置布置在所述第二轴向轴承上用于确定所述第二轴向轴承上的第二轴向力。

本发明的第一个基本思想在于以下事实：提供一种具有用于钻柱和/或钻头的驱动器轴的轴承布置的钻探驱动器，其在各个轴承的区域中具有被设计为确定在相应的轴承之前和/或之后轴的负荷的力测量装置。

本发明的第二个基本思想在于通过由所述力测量装置确定的数据来确定实际地作用在轴承布置下方的驱动器轴或钻探装置（例如，钻头、钻柱）上的力，尤其是负荷，即，建立与施加到所述轴承布置上方的驱动器轴上的负荷的偏差。

本发明的优选实施例在于第一轴向轴承被设计为承载驱动器轴的轴向主负荷的锥形滚柱轴承。第一轴向轴承尤其可以被设计为基本上承受在抽取期间驱动器轴的拉伸负荷和/或在钻孔的生产期间作用在驱动器轴上的载荷。基本上，可以由负荷直接通过可设置在例如轴承布置上方的相应装置以及经由围绕着轴尤其是包含轴承布置的壳体二者作用在驱动器轴上。由于轴向轴承的锥形形状，所以这能够承受轴向力分量以及径向力分量。因此，借助于第一轴向轴承，可以轴向和径向地引导驱动器轴。

根据本发明的其他实施例，特别有利的是，径向轴承沿着作用在钻探驱动器上的重力方向布置在钻探驱动器的下端处，并且第二轴向轴承沿着作用在钻探驱动器上的重力方向布置在径向轴承上方。特别是由重力引起的重量力作用在下方的地面方向上。径向轴承尤其可以设置在装置的下端处，特别是作为轴承布置的下轴承，其中，径向轴承尤其可以设置为承受作用在驱动器上的力的显著径向分量和/或径向地引导驱动器轴。因此，可以防止轴在钻探驱动器的壳体内部的径向运动，更具体地是横向运动。第二轴向轴承尤其可以设置在上部区域中，优选地作为轴承布置的上轴承。

根据本发明的其他实施例，特别有利的是，径向轴承被设计为圆柱轴承并且第二轴向轴承被设计为锥形滚柱轴承。基本上，径向轴承以及所提供的其他轴承可以被设计为滚柱轴承或滑动轴承。优选地，第二轴向轴承设计有径向分量和轴向分量，用于承受驱动器轴的径向力以及轴向力。如果第二轴向轴承设计为滚柱轴承，则所述第二轴向轴承可在轴承体的第一端处沿其相应轴承体的旋转轴线具有指向轴的直径较小的区域。相应的轴承体的相对侧，也称为滚动元件，可以具有较大直径或较大圆周的第二端。因此，轴承体可以具有圆柱形状，其较宽的端部沿着它们的旋转轴线远离驱动器轴指向向外方向。特别优选的是，第二轴向轴承的轴承体的旋转轴线相对于驱动器轴的旋转轴线倾斜地布置，其中，第二轴向轴承可以被设计为承受驱动器轴的径向力分量。如果第二轴向轴承被设计为滑动轴承，则所述滑动轴承可以具有至少一个第一滑动表面，其驱动器轴的支撑表面与驱动器轴的旋转轴线一起限定不同于直角的角度。关于第二轴向轴承的说明原则上也适用于第一轴向轴承。

根据本发明的钻探驱动器的另一有利实施例在于，径向轴承被设计为非定位轴承，其以可移动的方式布置成平行于驱动器轴的旋转轴线。径向轴承可以被设计为例如圆柱轴承并具有轴承间隙。该轴承间隙尤其能够使得径向轴承体沿着有限的轴承引导件同轴运动，其中，轴承引导件可以被设计为平行于驱动器轴的旋转轴线。优选地，径向轴承可以被设计为滑动轴承，其中，驱动器轴和径向轴承之间的接触表面可以基本上允许驱动器轴在轴向方向上的运动。

特别优选地，钻探驱动器的轴承布置可以被设计为使得第一轴向轴承布置在径向轴承和第二轴向轴承之间。根据本发明的轴承布置可以设置有直接布置在彼此顶部上的轴向轴承。根据要求，径向轴承也可以设置在轴承布置的上端处，特别是在第二轴向轴承上方，其中，第二轴向轴承可以设置在第一轴向轴承和径向轴承之间。特别优选地，径向轴承可以在每种情况下设置在两个轴向轴承上方以及两个轴向轴承下方。

为了确定负荷，尤其是可以在驱动器轴的下端处设置的钻头上的负荷，可以有利地将第一力测量装置布置在第一轴向轴承下方以及将第二力测量装置布置在第二轴向轴承上方。因此，在轴承布置中，第一和第二轴向轴承可以设置在力测量装置之间。驱动器轴尤其可以在两个轴向轴承之间设置有预应力。

基本上，在轴承布置中，可以设置正或负的操作内部间隙。在大多数应用中，正的操作内部间隙的设定可能是有利的，即，在操作期间在轴承中仍提供轻微的残余内部间隙。例如，对于钻探设备而言，可能需要负的操作内部间隙，即预应力，以改善轴承布置的刚度或提高运行精度。

内部间隙被定义为总距离，通过该总距离，轴承环可以在径向方向（径向内部间隙）或轴向方向（轴向内部间隙）上相对于另一个轴承环移动。轴承的径向内部间隙可对于令人满意的操作而言特别重要。

根据本发明的轴承布置可以具有至少两个锥形滚柱轴承，其形成为不同的尺寸并具有不同的弹簧常数，其中，可以在锥形滚柱轴承之间提供预应力。如果轴向力作用在两个轴承中的第一个上，则第二轴承被释放。

根据本发明的钻探驱动器的另一有利实施例在于提供一种计算机单元，其连接到第一力测量装置和第二力测量装置，并被设计为计算作用在轴承布置下方的驱动器轴上的轴向力。特别是由于轴承布置的弹簧模块或单独的轴向轴承的弹簧模块，在钻孔期间在轴承布置上方的驱动器轴上存在的负荷可以偏离作用在轴承布置下方的驱动器轴或钻头上的负荷。

根据本发明的其他实施例，特别优选的是，力测量装置以固定的方式布置，并且计算机单元被设计为补偿轴承布置上方的负荷，该负荷与存在于驱动器轴上特别是在钻头上的在轴承布置下方施加的负荷相比，作用在重力的方向上并且作用到驱动器轴上。具体地，力测量装置可以以固定的方式设置在轴承布置上，优选地设置在壳体中，其中，在驱动器轴的旋转运动时，它们在壳体中的位置保持不变。力测量装置尤其可以直接设置在第一轴向轴承的支撑表面下方以及第二轴向轴承的支撑表面上方，因此被设计为轴承布置的静态非旋转部分。因此，可以通过计算机单元补偿轴向轴承布置上方的区域和轴向轴承布置下方的区域之间的驱动器轴上的轴向力的差异。

根据本发明的其他实施例，特别优选的是，第一力测量装置布置在径向轴承和第一轴向轴承之间。以这种方式，可以至少在第一轴向轴承下方的力测量装置周围形成稳定区域，其中，径向轴承可以有助于补偿由轴在轴承壳体上引起的振动，由此可以使特别精确的测量成为可能。

为了特别精确地确定负载力，优选的是，在钻探驱动器上布置连接到计算机单元的至少一个温度传感器，以确定与温度相关的轴承张紧并且被设计为检测轴承布置的温度。轴承布置的温度变化可以促进轴承布置的组件的膨胀。轴承布置组件的膨胀可以有助于轴承布置中的预应力的改变，特别是在第一轴向轴承和第二轴向轴承之间的驱动器轴中的预应力的改变。因此，作用在轴承布置上方和下方的驱动器轴上的待补偿的力可以经受与温度相关的变化。通过确定轴承布置和/或轴承布置的区域中的驱动器轴的温度，可以确定对预应力的温度依赖性贡献并且考虑到力的补偿。这可以允许特别精确地确定在驱动器轴的下端处实际有效的负荷或者钻头在地面上的接触压力的负荷。温度传感器尤其可以设置在轴承布置的区域中，优选地设置在第二轴向轴承的力测量装置正上方和/或第一轴向轴承正下方的区域中。

根据本发明的尤其是用于油和气体钻探的钻探设备的特征在于，其具有钻探桅杆（drill mast），在钻探桅杆上布置有具有钻探工具的钻柱，其中，用于旋转地驱动钻柱的钻探驱动器以可移位的方式支撑在钻探桅杆上，并且根据权利要求1至12之一来设计。

本发明的另一基本思想在于如下事实，提供一种根据本发明的具有钻探驱动器的钻探设备，其驱动钻头的驱动器轴，特别是用于油和气体钻探的钻柱。

下面，通过附图进一步描述本发明，其中示出：

图1是根据本发明的优选实施例的具有支撑的驱动器轴的轴承布置；

图2是根据按照图1的优选实施例的按照本发明的具有轴承布置的钻探驱动器。

在图1中，示出了根据本发明的轴承布置10。轴承布置10布置在壳体11中，壳体11可以沿驱动器轴12的轴向方向在轴承布置10的区域中围绕受支撑的驱动器轴12。驱动器轴12具有旋转轴线15，轴承布置10被设计为绕着旋转轴线15。在轴承布置10中，驱动器轴12可以具有第一轴承表面13。借助于第一轴承表面13，驱动器轴12可以与第一接触表面21a直接或间接接触，或者相应地与第一轴向轴承20的第一轴承环21直接或间接接触。第一轴向轴承20尤其可以被设计为承受作用在驱动器轴12上的力并抵消在钻探期间在重力方向上因而在朝向地面的向下方向上作用的力。该力尤其可以是驱动器轴12的重力以及轴12上的外部负荷。因此，在钻探操作期间，第一轴向轴承20可承载施加在驱动器轴12上的施加负荷的主负荷。在抽取期间，可以提供第一轴向轴承20以承受钻柱和/或钻头的重力。

第一轴向轴承20尤其可以设计为具有围绕驱动器轴12周向地布置的若干个滚动元件23的滚柱轴承。这些可以布置在第一轴向轴承20的第一轴承环21和第二轴承环22之间。第一轴向轴承20的滚动元件23的旋转轴线尤其可以与驱动器轴12的旋转轴线15以与直角不同的角度布置。尤其地，第一轴向轴承20可以被设计为锥形滚柱轴承，其滚动元件23在面向驱动器轴12的第一侧上与背向驱动器轴12的第二侧相比具有较小的直径。

尤其地，第一轴向轴承20的滚动元件23的旋转轴线可以与驱动器轴12限定一角度，该角度在滚动元件23的旋转轴线上方小于90°并且在滚动元件23的轴线下方大于90°。优选地，第一轴向轴承20与第二接触表面22的接触区域相对于驱动器轴12的旋转轴线15正交地设计，即，水平地设计。

此外，在轴承布置10的上侧区域中，驱动器轴12可以具有第二轴承表面14，通过第二轴承表面14，驱动器轴12可以与第二轴向轴承30的第一接触表面31接触。尤其地，第二轴向轴承30可以布置在第二轴向轴承30的第一接触表面31和第二接触表面32之间，第二轴向轴承30可以尤其地被设计为轴承环。

也可以具有圆柱设计的第二轴向轴承30优选地被设计为与驱动器轴12成一角度。更特别地，第二轴向轴承30的滚动元件33的旋转轴线相对于驱动器轴12的轴线15的角度可以不同于90°。优选地，第二轴向轴承30的滚动元件33的旋转轴线在轴承布置10中以这样的方式对齐，使得第二轴向轴承30能够至少承受优选地通过驱动器轴作用到第一轴向轴承20上的径向力分量。特别优选的是，第一轴向轴承20的至少一个滚动元件23的旋转轴线与第二轴向轴承30的至少一个滚动元件33的旋转轴线垂直地布置。

第二轴向轴承30的滚动元件33可以沿着它们的旋转轴线具有可以形成有较小直径的上端和可以形成有较大直径的下端。第二轴向轴承30的滚动元件的上端相比于下端尤其可以具有到驱动器轴12的较小的距离。尤其地，第一轴向轴承20和第二轴向轴承30可以设计为定位轴承。

在轴承布置10的下端处，可以布置径向轴承40，其可以设置在径向轴承40的第一接触表面41和径向轴承40的第二接触表面42之间。径向轴承40的接触表面41、42尤其可以被设计为轴承环。径向轴承可以被设计为滚柱轴承和滑动轴承，特别是允许驱动器轴12沿其旋转轴线15轴向移动。

如果径向轴承40被设计为滚柱轴承，则径向轴承40的滚动元件44可沿导向件43布置，导向件43使得滚动元件44能够在驱动器轴12的旋转轴线的轴向方向上移动，因此具有轴承间隙。因此，径向轴承40尤其可以设计为非定位轴承。此外，径向轴承尤其可以设计成承受驱动器轴12的径向力分量并径向地引导驱动器轴12。

第一轴向轴承20和第二轴向轴承30可以形成有径向分量，在这种情况下，轴承布置可以形成有预应力。

在第一轴向轴承20的区域中，可以布置力测量装置50。这优选地设置在第一轴向轴承20下方。在第二轴向轴承30的区域中，可以设置第二力测量装置51。优选地，第二力测量装置51布置在第二轴向轴承30上方。第一力测量装置50和第二力测量装置51连接到未描绘出的计算机单元，计算机单元被设计为补偿轴承布置10上方的主负荷，该负荷与实际存在于驱动器轴12上的在轴承布置10下方的主负荷相比，沿重力方向作用到驱动器轴12上。

为了确定轴承布置10的温度，可以设置至少一个温度传感器52，其可以例如布置在第一轴向轴承20的区域中。此外，例如，温度传感器52可以布置在第二轴向轴承30上方的区域中，其中，设置所述至少一个温度传感器52以分别确定轴承布置10和驱动器轴12的温度。为了确定与温度相关的轴承张紧，所述至少一个温度传感器52可以连接到计算机单元，该计算机单元在补偿负荷时考虑到在轴承布置10上确定的温度或在轴承布置10的区域中的轴上确定的温度。

在图2中，示出了钻探驱动器60，其在壳体11中具有根据本发明的轴承布置10。为了驱动驱动器轴12，在轴承布置10上方提供了可设置在钻探驱动器60的上端处的马达61。驱动器轴12尤其可以以电驱动。如图2所示，驱动器轴12在壳体11的下端处从轴承布置10突出，并且被设计为接收优选地具有钻头的钻柱。驱动器轴还可以被设计为接收钻探旋叶（drill flight）或不同类型的钻探工具。在驱动器轴的下端处，布置合适的连接装置63。至少在钻探驱动器60的两侧上，可以布置用于例如在钻探桅杆上引导钻探驱动器的器具62。通过位于钻探驱动器的上端处的悬挂件64，所述钻探驱动器可以可靠地输送到操作现场，其中，钻探驱动器与钻孔工具（例如钻柱）一起可以在悬挂件64上拉出钻孔。

Claims (12)

1.一种用于钻探设备的钻探驱动器（60），所述钻探驱动器（60）具有马达（61），驱动器轴（12）由所述马达（61）旋转地驱动，所述驱动器轴（12）以可旋转的方式支撑在具有轴承布置（10）的壳体（11）中，所述轴承布置（10）至少具有径向轴承（40）、第一轴向轴承（20）和第二轴向轴承（30），其中，第一力测量装置（50）布置在所述第一轴向轴承（20）上用于确定所述第一轴向轴承（20）上的第一轴向力，第二力测量装置（51）布置在所述第二轴向轴承（30）上用于确定所述第二轴向轴承（30）上的第二轴向力，

其中，至少一个温度传感器（52）布置在所述第二力测量装置上。

2.根据权利要求1所述的钻探驱动器，其中，所述第一轴向轴承（20）被设计为承载所述驱动器轴（12）的轴向主负荷的锥形滚柱轴承。

3.根据权利要求2所述的钻探驱动器，其中，所述径向轴承（40）沿着作用在所述钻探驱动器（60）上的重力的方向布置在所述钻探驱动器（60）的下端处，并且其中，所述第二轴向轴承（30）沿着作用在所述钻探驱动器（60）上的所述重力的方向布置在所述径向轴承（40）上方。

4.根据权利要求3所述的钻探驱动器，其中，所述径向轴承被设计为圆柱轴承，并且所述第二轴向轴承（30）被设计为锥形滚柱轴承。

5.根据权利要求4所述的钻探驱动器，其中，所述径向轴承（40）被设计为平行于所述驱动器轴（12）的旋转轴线（15）以可移动的方式布置的非定位轴承。

6.根据权利要求5所述的钻探驱动器，其中，所述第一轴向轴承（20）布置在所述径向轴承（40）和所述第二轴向轴承（30）之间。

7.根据权利要求6所述的钻探驱动器，其中，所述第一力测量装置（50）布置在所述第一轴向轴承（20）下方，并且所述第二力测量装置（51）布置在所述第二轴向轴承（30）上方。

8.根据权利要求7所述的钻探驱动器，其中，提供了计算机单元，所述计算机单元连接到所述第一力测量装置（50）和所述第二力测量装置（51）并被设计为计算在所述轴承布置（10）下方作用于所述驱动器轴（12）上的轴向力。

9.根据权利要求8所述的钻探驱动器，其中，所述第一力测量装置（50）和所述第二力测量装置（51）以固定的方式布置，所述计算机单元被设计为补偿所述轴承布置（10）上方的负荷，与实际存在于所述驱动器轴（12）上的在所述轴承布置（10）下方的负荷相比，所述轴承布置（10）上方的负荷沿所述重力的方向作用到所述驱动器轴（12）上。

10.根据权利要求9所述的钻探驱动器，其中，所述第一力测量装置（50）布置在所述径向轴承（40）和所述第一轴向轴承（20）之间。

11.根据权利要求10所述的钻探驱动器，其中，所述至少一个温度传感器（52）连接到所述计算机单元以确定与温度相关的轴承张紧并且被设计为检测轴承布置（10）的温度。

12.一种用于油或气体钻探的钻探设备，所述钻探设备具有钻探桅杆，具有钻探工具的钻柱布置在所述钻探桅杆上，其中，根据权利要求1至11之一设计的用于可旋转地驱动所述钻柱的钻探驱动器（60）以可移位的方式支撑在所述钻探桅杆上。

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