CN111108260B - 顶部驱动器，牵引马达脱开装置 - Google Patents

顶部驱动器，牵引马达脱开装置 Download PDF

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Abstract

一种用于井操作的顶部驱动器，具有齿轮箱；牵引马达，其连接至齿轮箱，使得牵引马达的马达轴延伸至齿轮箱中；延伸至齿轮箱中的套管轴；齿轮系，其位于齿轮箱内并机械地连接在牵引马达轴和套管轴之间；以及位于齿轮系中的连接器，其中，在联接构造中，连接器通过齿轮系传递扭矩，并且在脱开构造中，连接器不通过齿轮系传递扭矩。一种用于通过以下方式操作顶部驱动器的方法：用两个牵引马达将第一扭矩施加到套管轴，将牵引马达之一从套管轴断开，以及用未断开的牵引马达将小于第一扭矩的50％的第二扭矩施加到套管轴。

Description

顶部驱动器，牵引马达脱开装置
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年8月14日提交的序列号为15/676,510的美国专利申请的优先权。该优先权申请的内容通过引用整体合并于此。
技术领域
本公开总体上涉及钻井领域。更具体地，本发明涉及用于驱动井眼钻井系统中的顶部驱动器的方法和设备。
背景技术
通常，顶部驱动器包括齿轮箱，该齿轮箱具有从齿轮箱并在其下方延伸的套管轴。至少一个牵引马达连接到齿轮箱的顶部。牵引马达的输出轴通过齿轮系统连接到套管轴。图1示出了顶部驱动系统的典型齿轮箱，其中大齿轮46分别由一个或多个小齿轮47驱动，而小齿轮47分别由一个或多个牵引马达(未示出)驱动。大齿轮46使套管轴22转动。在最初转让给Canrig Drilling Technology Ltd.的美国专利号8,499,858中公开了一种说明性系统。
此外，National Oilwell Varco具有在顶部驱动器上以TDX的缩写出售的牵引马达脱开装置。该顶部驱动器包括一个滑动叉，该滑动叉将柔性联接器半从固定联接器半拉开。该设计要求将脱开器和联接器浸入油中，使得整个联接器系统需要一个单独的注油室–也称为联接器壳体。该系统有一个单独的油室，需要维护和换油。还存在该油泄漏到主齿轮箱油容器的风险，这又可能导致过热。
发明内容
根据本公开的教导，通过提供使牵引马达与心轴脱开的能力克服了与现有的顶部驱动器相关的缺点和问题。
本发明的一个方面提供了一种用于井操作的顶部驱动器，该顶部驱动器包括：齿轮箱；牵引马达，其连接到齿轮箱，使得牵引马达的马达轴延伸到齿轮箱中；延伸到齿轮箱中的套管轴；齿轮系，其位于齿轮箱内并机械连接在牵引马达轴和套管轴之间；以及布置在齿轮系中的连接器，其中，在联接构造中，连接器通过齿轮系传递扭矩，并且在脱开构造中，连接器不通过齿轮系传递扭矩。
根据本发明的另一方面，提供一种用于井操作的顶部驱动器，该顶部驱动器包括：齿轮箱；牵引马达，其连接到齿轮箱，使得牵引马达的马达轴延伸到齿轮箱中；延伸到齿轮箱的套管轴；以及小齿轮轴组件，其位于齿轮箱中，用于与马达轴接合，以将扭矩传递至套管轴，其中，当小齿轮轴组件与马达轴接合时，扭矩通过小齿轮轴组件从牵引马达传递至套管轴，并且其中，当小齿轮轴组件与马达轴脱离时，扭矩不会通过小齿轮轴组件从牵引马达传递到套管轴。
本发明的另一方面提供了一种用于操作用于井操作的顶部驱动器的方法，该方法包括：用两个牵引马达将第一扭矩施加到套管轴上；从套管轴上断开所述牵引马达之一；以及用未断开的牵引马达将小于第一扭矩的50 ％的第二扭矩施加到套管轴。
附图说明
可以通过参考结合附图的以下描述来获得对本实施例的更完整的理解，其中，相同的附图标记指示相同的特征。
图1示出了现有技术的顶部驱动器齿轮箱的截面透视图，其中小齿轮由牵引马达(未示出)驱动以驱动大齿轮和套管轴；
图2是本发明的顶部驱动器的侧视图，其中，两个牵引马达附接到齿轮箱，并且齿轮箱提供通往小齿轮轴组件的入口以联接/脱开牵引马达；
图3是顶部驱动器齿轮箱的截面侧视图，其中两个小齿轮轴组件被定位为与复合惰轮接合以驱动套管轴从动齿轮，以向套管轴施加扭矩，其中所有机械部件均为容纳在同一齿轮油室中；
图4是小齿轮轴组件的横截面侧视图，其中内部小齿轮轴处于联接位置；
图5是小齿轮轴组件的截面侧视图，其中内部小齿轮轴处于脱开位置；
图6是示出了用于重新构造小齿轮轴组件以将牵引马达与顶部驱动器齿轮箱中的套管轴脱开的过程的流程图；
图7是示出在更换牵引马达时用于操作顶部驱动器的过程的流程图。
具体实施方式
鉴于下面的一般讨论，通过参考下面的图2-7可以最好地理解优选实施例。在某些实施例的高水平描述的上下文中，可以更容易地理解本公开。
图2是本发明的顶部驱动器实施例的侧视图。顶部驱动器10具有位于两个AC牵引马达11之间的洗涤管12。洗涤管12在其顶部具有缆线入口 13。牵引马达11连接到齿轮箱14的顶部，并且钻杆18从齿轮箱14的底部延伸。齿轮箱14通过四个拉杆15从冠块16悬挂。管道操纵器17被连接到齿轮箱14的底部，其中管道操纵器17具有从升降机连杆20悬挂的升降机19和备用夹具21。齿轮箱14具有两个盖41，该盖41提供到小齿轮轴组件的入口以联接/脱开牵引马达11。
顶部驱动器10的主要部分是齿轮箱14。图3是齿轮箱14的截面图，齿轮箱14具有齿轮箱壳体23。本发明的一方面为每个牵引马达11提供了带有花键端的输出轴设计，该花键端与驱动小齿轮花键毂34配合。专门设计的小齿轮轴组件30是顶部驱动器齿轮箱的一部分。牵引马达11具有设计成与驱动小齿轮花键毂34配合的输出驱动轴端。根据本发明的一个实施例，每个小齿轮轴组件30包括内部小齿轮轴31，该内部小齿轮轴31具有内部花键联接器(滑动轴)，从而允许牵引马达输出轴(未显示)完全与内部花键毂33断开并隔离。在马达故障的情况下，牵引马达11可以在几分钟内容易地机械隔离，从而使钻机的钻井时间最小化。
为每个牵引马达11提供完全独立性，在一个牵引马达发生故障的情况下，则另一牵引马达可以继续进行顶部驱动操作。仅使用一台运行马达，在 50％的钻井扭矩下，顶部驱动器仍可提供100％rpm。每个马达可以具有单独的编码器、单独的VFD电源以及从VFD到顶部驱动器的单独电源线。AC 牵引马达也可以配备机械驻车制动器。每个马达都可以容易从齿轮箱机械断开。机械断开可允许在马达轴承出现故障时实现机械DE轴隔离。
回到图3，壳体可以由高强度铸钢制成。套管轴22通过一系列齿轮与牵引马达11机械地接合。每个牵引马达输出轴(未示出)通过挠性联接器连接至齿轮箱14，该挠性联接器具有经由小齿轮轴组件30的快速断开特征，允许将牵引马达从齿轮箱14中的套管轴22手动断开，其中挠性联接器将在下面充分描述。当联接到其各自的牵引马达11时，每个小齿轮轴组件30与复合惰轮48啮合并驱动复合惰轮48。每个复合惰轮48包括较大直径的小齿轮和较小直径的小齿轮，其中较大直径的小齿轮与小齿轮轴组件30啮合并被该小齿轮轴组件30驱动。套管轴从动齿轮49紧固到套管轴22的圆周上，并且与复合惰轮48的较小直径的小齿轮啮合并被该较小直径的小齿轮驱动。小齿轮轴组件30、复合惰轮48和套管轴从动齿轮49包括在牵引马达 11和套管轴22之间的齿轮系。所有齿轮可以是螺旋切割型、渗碳的和磨削的。小齿轮轴组件30的轴输出具有双唇密封，以密封齿轮箱14中的齿轮油。
图3进一步示出了套管轴22如何通过大型坚固的轴向轴承24支撑在齿轮箱壳体23中，其中，预张紧的弹簧25确保了轴承的耐久性和可靠性。预张紧弹簧25(50kips)确保轴向推力轴承处于最佳状态。顶部和底部径向轴承26与轴向轴承24分开。推力轴承27向上支撑套管轴22，使得相当大的钻杆和其他设备的重量可以从顶部驱动器的套管轴22上悬挂。圆锥推力轴承27可能会受到重支撑，以使当承受剧烈冲击负荷(例如震击(ref jarring)，上部井段钻进等)时轴承失效的风险最小化。齿轮箱壳体23能够通过止推轴承27的刚性底座支撑大容量。三唇形密封件28密封套管轴22的顶部，其中两个密封件将齿轮箱壳体23的顶部密封到套管轴22，第三个密封件密封油容器。当顶部驱动器在运输位置为水平时，油容器的密封件可防止油泄漏，而当顶部驱动器在工作位置为竖直时，两个密封件可防止泥浆和水进入齿轮箱。三唇形密封件28安装在齿轮箱壳体23的顶盖中，以便防止溢出的泥浆进入齿轮箱14。三唇形密封件28之间的上部润滑脂室可在齿轮箱壳体 23中具有检查塞，以允许视觉的滑脂质量检查，其中视觉检查允许在齿轮油被泥和水污染之前发出警告。齿轮箱壳体23的下端由双唇形密封件29密封。轴承和齿轮可能会部分浸入齿轮油中，其在低于100rpm下旋转时可提供足够的飞溅油，并使在强制循环故障的情况下的齿轮箱损坏的风险最小化。齿轮箱中的油在操作过程中可能会不断循环和过滤。齿轮箱可以装备有电动循环泵(未示出)，该电动循环泵通过过滤器和油冷却器提供齿轮油的循环，以便确保齿轮和轴承的理想状态，而不受钻井和环境条件的影响。
如图3所示，通常两个牵引马达11都将通过齿轮箱14中的齿轮来驱动套管轴22。小齿轮轴组件30可以被锁定在与牵引马达11的轴(未示出)完全接合的位置。马达扭矩从牵引马达11的输出驱动轴端传递到小齿轮轴组件30的内部花键毂33中。小齿轮轴组件30可以具有规则的齿轮齿，该规则的齿轮齿将扭矩通过齿轮箱齿轮传递到套管轴22。小齿轮轴组件30可以由提供与其他齿轮完美对准的滚子和球轴承支撑。马达轴连接处可能有套管(spigots)，并且小齿轮轴组件30的公差很小。
参考图4，小齿轮轴组件30的截面侧视图被示出在用于联接至牵引马达11的输出轴(未示出)的位置。内部小齿轮轴31位于外部小齿轮轴32 内。内部小齿轮轴31的上端包括内部花键毂33。内部小齿轮轴31和外部小齿轮轴32通过花键联接彼此配合，其中，内部小齿轮轴31具有径向向外突出的花键34，外部小齿轮轴32具有径向向内突出的花键35。花键是平行于内部小齿轮轴31和外部小齿轮轴32的纵向中心轴线36延伸的脊或齿。内部小齿轮轴31和外部小齿轮轴32通过花键34和35的配合或啮合被彼此联接在一起，以便绕纵向中心轴线36作为一个轴旋转。然而，尽管花键34和 35不允许内部小齿轮轴31和外部小齿轮轴32之间的相对旋转运动，但是花键确实允许沿纵向中心轴线36的相对平移运动。如下面更充分地解释的，沿纵向中心轴线36的该相对平移运动允许小齿轮轴组件30与牵引马达11 联接/脱开。在小齿轮轴31的内部定位有一螺柱37。一固定螺母38拧到该螺柱37的下端上。卡环39卡入固定螺母38后面的内部小齿轮轴31的下端中的环形凹部中，以将固定螺母38固定在内部小齿轮轴31中。锁紧螺母和垫圈40安装在固定螺母37的外侧上。盖41被附接到齿轮箱壳体23的底部。
参照图5，小齿轮轴组件30的侧视截面图被示出为处于相对于牵引马达11的输出轴(未示出)脱开的位置。内部小齿轮轴31沿着纵向轴线36在图4所示的联接位置和图5所示的脱开位置之间滑动。当内部小齿轮轴31 向下滑动时，内花键毂33的齿与牵引马达11的输出轴(未示出)的相应齿脱离。
在正常操作模式下，内部小齿轮轴31伸出，内部花键毂33与钻井马达输出轴的配合外部花键完全接合。内部小齿轮轴31通过锁紧螺母和垫圈40 锁定在此联接位置。在马达故障或损坏的情况下，需要将故障的牵引马达的转子轴与齿轮箱物理隔离，故障的牵引马达会脱离。参照图4-6示出了该过程。可以通过以下方式来脱离：(1)拧下并移除所述盖41(见图4)，以再次进入到齿轮箱23中的小齿轮轴组件(参见图6中的步骤601)；(2)从固定螺母38上拧下并移除所述锁定螺母和垫圈40(参见图6中的步骤602)；(3)用扳手保持所述固定螺母38，并用另一把扳手接合螺柱37的下端 (参见图6中的步骤603)。(4)旋转所述螺柱37，直到带螺纹的顶端与牵引马达11的输出轴(未示出)的端部上的配合的螺孔完全接合为止(参见图6中的步骤604)；(5)当螺柱37与马达输出轴完全接合时，保持螺柱37 并旋转所述固定螺母38，以便使固定螺母38旋转，以在小齿轮轴31和马达轴(未示出)之间提供轴向压缩力(参见图6中的步骤605)，由此获得的力可致动，即向下拉动和滑动所述内部小齿轮轴31，直到内部花键毂33的花键连接完全分离(参见图5，以及图6中的步骤606)；以及(6)安装所述锁紧螺母和垫圈40以将内部小齿轮轴31固定或锁定在脱开位置(参见图6 中的步骤607)；以及(7)将盖41重新附接回到齿轮箱壳体23上(参见图 6中的步骤608)。由于双唇密封件29在联接位置和脱开位置将内部小齿轮轴31密封到齿轮箱壳体23，所以在联接和脱开过程中可以保持齿轮箱润滑系统的完整性。将故障马达脱开后，操作员可以关闭用于所述隔离马达的 VFD，并且可以使用第二牵引马达继续进行钻井。
参考图7示出了本发明的方法。通过用两个牵引马达将扭矩通过顶驱动器的齿轮箱以高达100％rpm和100％的扭矩施加到套管轴，来操作顶驱动器(参见图7中的步骤701)。然后将牵引马达之一从套管轴上断开(参见图 7中的步骤702)。然后通过仅用连接的牵引马达施加扭矩来操作顶部驱动器，其中，套管轴可以由连接的牵引马达以高达100％rpm和50％的扭矩驱动(参见图7中的步骤703)。然后将断开的牵引马达替换为新的牵引马达(参见图 7中的步骤704)。新的牵引马达被连接到套管轴(参见图7中的步骤705)。然后通过用连接到套管轴的两个牵引马达施加扭矩来操作顶部驱动器，其中套管轴可以由连接的牵引马达以高达100％rpm和100％的扭矩驱动(参见图7中的步骤706)。
本发明的一个方面是提供一种联接器/脱开器机构，该联接器/脱开器机构由润滑齿轮箱的齿轮的相同润滑系统润滑。如图3所示，双唇密封件29和三唇密封件28密封齿轮箱，使得所有机械部件被容纳在同一齿轮箱室内。轴承、齿轮和小齿轮轴组件30可以部分地浸没在齿轮箱内的同一齿轮油容器43中。小齿轮轴组件30可重新构造在联接构造和脱开构造之间，而不会干扰齿轮箱中的齿轮油。当内部小齿轮轴31分别在图4和图5所示的联接位置和脱开位置之间移动时，双唇密封件29保持小齿轮轴组件30与齿轮箱壳体23之间的密封。小齿轮轴组件30不需要单独的润滑系统。因此，小齿轮轴组件30可以被润滑和重新构造而不会破坏齿轮箱润滑系统。
在替代实施例中，小齿轮轴组件可被自动地重新构造成与牵引马达的轴联接/脱开。可以将控制马达结合到盖41中以便与螺柱37接合。当控制马达沿一个方向旋转以使螺柱37旋转时，内部小齿轮轴31可以移动到脱开位置。当控制马达和螺柱37沿相反方向旋转时，内部小齿轮轴31可移动到联接位置。控制马达可以响应于由远程控制系统发送的控制信号而操作。在该实施例中，不需要人的手来物理地操纵小齿轮轴组件。
参考图3描述本发明的替代实施例。如上所述，小齿轮轴组件30、复合惰轮48和套管轴从动齿轮49包括在牵引马达11和套管轴22之间的齿轮系。在替代图3所示的实施例中，齿轮系可以在齿轮系中的任何连杆处联接 /脱开。例如，不是在小齿轮轴组件30与马达轴之间的接口处连接/断开齿轮系，齿轮系可以在复合惰轮48处连接/断开。复合惰轮48可以包括内轴和外轴，它们相对于彼此纵向滑动，以使花键在它们之间接合/脱离。在该实施例中，盖(类似于盖41)可以位于每个复合惰轮48的下方，以提供用于重新构造复合惰轮48的入口。在替代实施例中，齿轮系的连接/断开可以在与套管轴从动齿轮49的接口处，与外部小齿轮轴32、复合惰轮48的轴之间的花键的接口处，或齿轮系中的任何其他接口处。在替代实施例中，齿轮系可包括任何数量和尺寸的齿轮、轴和/或连杆。
尽管在本公开中详细描述了所公开的实施例，但是应该理解，在不脱离其精神和范围的情况下，可以对实施例进行各种改变、替换和变更。

Claims (17)

1.一种用于井操作的顶部驱动器，该顶部驱动器包括：
齿轮箱；
牵引马达，该牵引马达连接到齿轮箱，使得牵引马达的马达轴延伸到齿轮箱中；
套管轴，该套管轴延伸到齿轮箱中；
齿轮系，该齿轮系位于齿轮箱内并机械地连接在牵引马达轴和套管轴之间；和
连接器，该连接器位于齿轮系中，其中，在联接构造中，连接器通过齿轮系传递扭矩，并且在脱开构造中，连接器不通过齿轮系传递扭矩，并且
其中，所述连接器包括同心地定位的内部小齿轮轴和外部小齿轮轴，其中，所述内部小齿轮轴和外部小齿轮轴经由花键彼此接合，所述花键不允许内部小齿轮轴与外部小齿轮轴之间的相对旋转运动。
2.如权利要求1所述的顶部驱动器，其中，所述连接器包括与所述牵引马达的轴接合的内部花键毂。
3.如权利要求1所述的顶部驱动器，还包括锁，该锁将所述连接器锁定在所述联接构造和所述脱开构造中的至少一个中。
4.如权利要求3所述的顶部驱动器，其中，所述锁包括紧固到螺柱的带螺纹的锁紧螺母。
5.如权利要求1所述的顶部驱动器，还包括致动器，该致动器在所述联接构造和所述脱开构造之间重新构造所述连接器。
6.如权利要求5所述的顶部驱动器，其中，所述致动器包括螺柱和固定螺母，其中，所述螺柱和螺母的相对螺纹使所述连接器的至少一部分运动成与所述马达轴接合和脱离。
7.如权利要求1所述的顶部驱动器，还包括在齿轮箱中的润滑容器，其中所述套管轴和所述连接器至少部分地被来自所述润滑容器的润滑剂润滑。
8.一种用于井操作的顶部驱动器，该顶部驱动器包括：
齿轮箱；
牵引马达，该牵引马达连接到齿轮箱，使得牵引马达的马达轴延伸到齿轮箱中；
套管轴，该套管轴延伸到齿轮箱中；和
小齿轮轴组件，该小齿轮轴组件位于齿轮箱中，用于与马达轴接合，以将扭矩传递至套管轴，其中，当小齿轮轴组件与马达轴接合时，扭矩通过小齿轮轴组件从牵引马达传递至套管轴，以及其中，当小齿轮轴组件与马达轴脱离时，扭矩不会通过小齿轮轴组件从牵引马达传递到套管轴，并且
其中，所述小齿轮轴组件包括同心地定位的内部小齿轮轴和外部小齿轮轴，其中，所述内部小齿轮轴和外部小齿轮轴经由花键彼此接合，所述花键不允许内部小齿轮轴与外部小齿轮轴之间的相对旋转运动。
9.如权利要求8所述的顶部驱动器，其中，所述小齿轮轴组件包括内部花键毂，该内部花键毂与所述牵引马达的轴接合。
10.如权利要求9所述的顶部驱动器，还包括紧固到螺柱的带螺纹的锁紧螺母，该带螺纹的锁紧螺母将所述内部花键毂锁定在选自与所述马达轴接合的位置和与所述马达轴脱离的位置的至少一个位置中。
11.如权利要求9所述的顶部驱动器，还包括螺柱和固定螺母，其中，所述螺柱和螺母的相对螺纹使所述内部花键毂与所述马达轴接合和脱离。
12.如权利要求8所述的顶部驱动器，还包括在齿轮箱中的润滑容器，其中所述套管轴和小齿轮轴组件至少部分地由来自所述润滑容器的润滑剂润滑。
13.一种用于操作用于井操作的顶部驱动器的方法，该方法包括：
用两个牵引马达将第一扭矩施加到套管轴；
将所述牵引马达之一从套管轴断开；和
用未断开的牵引马达将小于第一扭矩的50％的第二扭矩施加到套管轴，并且
其中，将所述牵引马达之一断开包括使内部小齿轮轴在外部小齿轮轴内滑动而不是旋转，直到内部花键毂脱离牵引马达的轴。
14.如权利要求13所述的用于操作顶部驱动器的方法，还包括：
将断开的牵引马达从顶部驱动器移除；
将移除的牵引马达替换为替换的牵引马达；
将替换的牵引马达连接到套管轴；和
用两个牵引马达将第一扭矩重新施加到套管轴。
15.如权利要求13所述的用于操作顶部驱动器的方法，其中，所述断开牵引马达之一包括断开位于牵引马达和套管轴之间的齿轮系中的连接器，其中，在连接构造中，该连接器通过齿轮系传递扭矩，以及其中在断开构造中，连接器不通过齿轮系传递扭矩。
16.如权利要求15所述的用于操作顶部驱动器的方法，还包括将所述连接器锁定在所述连接构造和所述断开构造中的至少一个中。
17.如权利要求15所述的用于操作顶部驱动器的方法，还包括经由来自同一容器的润滑剂对所述套管轴和所述连接器进行润滑。
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