CN111764834B - 井孔钻探滑车与顶部驱动装置的组合 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种井孔钻探滑车与顶部驱动装置的组合。所述设备包括：钻塔；具有钻井中心的钻台，钻柱能够沿着作业线穿过钻井中心。滑车沿着竖直滑车轨道被引导。顶部驱动装置附接至滑车，并包括一个或多个顶部驱动器。移动臂组件包括基部和可伸长和可缩回的移动臂，基部由竖直移动臂轨道引导。移动臂具有环绕作业线的操作范围。移动臂组件适配成支撑钻井中心工具中的至少一个和管件夹持器构件，并允许将钻井中心工具或管件夹持器构件置于作业线中。

Description

井孔钻探滑车与顶部驱动装置的组合
本申请是中国专利申请号为201680067799.3，发明名称为“井孔钻探滑车与顶部驱动装置的组合”，申请日为2016年10月7日的进入中国的PCT专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及井孔钻探滑车与顶部驱动装置的组合，例如安装在海上钻井船上的井孔钻探滑车与顶部驱动装置。
背景技术
在WO2014/182160中公开了一种具有井孔钻探设备的海上船舶，其包括：
-钻塔，
-钻台，其具有钻井中心，钻柱沿着作业线穿过所述钻井中心，
-至少一个竖直的滑车轨道，其由钻塔支撑，
-滑车，所述滑车沿着所述至少一个竖直滑车轨道被引导，
-顶部驱动装置，其连接至所述滑车，所述顶部驱动装置包括一个或多个顶部驱动马达，例如电动顶部驱动马达，所述顶部驱动装置适配成在钻柱连接至所述顶部驱动装置时将旋转运动传递给钻柱，
-提升装置，其适配成沿着所述至少一个竖直滑车轨道上下移动滑车，其中，
-竖直移动臂轨道，其由钻塔支撑，
-移动臂组件，其包括基部以及可伸长和可缩回的移动臂，其中所述基部由所述至少一个竖直移动臂轨道引导，并且其中所述移动臂具有环绕所述作业线的操作范围，所述移动臂组件适配成支撑钻井中心工具中的至少一个，例如铁钻工，或适配成支撑管件夹持器构件，并且允许将所述钻井中心工具或管件夹持器构件置于作业线中，
-竖直移动臂驱动器，其适配成沿着所述竖直移动臂轨道移动所述移动臂的基部。
在本领域中，特别是在海上钻井领域中，由于设备故障造成的停机被认为是一个主要问题。虽然钻井或其他与井孔相关的操作涉及大量设备的使用，但研究似乎表明顶部驱动装置是造成不良停机的主要原因之一。
LeTourneau Technologies Drilling Systems公司将齿轮箱确定为这方面的重要部件，并开发出一种空心轴电动驱动马达，该空心轴电动驱动马达用作用于由马达驱动的旋转输出杆或套筒轴的直接驱动器。这除去了齿轮箱，但仍需要对马达进行特殊设计。
在US20130090200中也解决了顶部驱动器可靠性的问题，并公开了电动马达与旋转套筒轴之间的变速器的替代结构。
该领域的其他开发集中在增强的设备(包括顶部驱动器)维护计划，以防止发生故障。
尽管迄今为止在努力减少停机时间，但顶部驱动装置的故障仍然以牺牲钻井设备非常昂贵的停机时间为代价。
发明内容
本发明旨在提出一些措施，所述措施允许减少由于顶部驱动器故障造成的停机时间和/或允许在日常维护期间增强顶部驱动器的可维修性。
滑车和顶部驱动器组合的可维护性可以通过提供一种可旋转头部夹具组件而得以加强，该可旋转头部夹具组件具有吸收作业线中的钻柱的竖直载荷的止推轴承，其中可旋转头部夹具组件由顶部驱动装置下方的框架支撑。该布置允许在顶部驱动装置本身中省去止推轴承，例如允许在顶部驱动装置中存在较轻的止推轴承或在顶部驱动装置中完全没有止推轴承。如果存在于顶部驱动装置中，那么任何止推轴承在操作使用期间将大大减小负荷，并因此与现有设计相比，比较不容易发生磨损。而且，如这里所说明的，与位于顶部驱动装置的齿轮箱或变速器壳体中的这种轴承相比，可旋转头部夹具组件中的止推轴承可更容易接近。在一个实施方案中，可旋转头部夹具组件易于作为一个单元进行更换，从而允许该单元与框架或框架的其余部分分离，例如由备用可旋转头部夹具组件单元进行更换。
本发明提供了一种组合，其包括：
-滑车，其适配成沿着至少一个竖直滑车轨道被引导，
-顶部驱动装置，其附接至滑车，所述顶部驱动装置包括：
-一个或多个顶部驱动马达，例如电动顶部驱动马达，
-齿轮箱或变速器壳体，
-旋转杆或套筒轴，其由所述一个或多个顶部驱动马达驱动，
其中所述顶部驱动装置适配成当钻柱连接至顶部驱动装置的所述旋转杆或套筒轴时将旋转运动施加至钻柱，
其中，所述滑车包括具有顶部框架构件的框架，所述顶部框架构件适配成由提升装置的一个或多个绞盘驱动缆索悬吊，
其中所述框架在所述顶部驱动装置下方支撑可旋转头部夹具组件，所述可旋转头部夹具组件设置有中心开放的旋转本体，其具有穿过其中的竖直通道，该竖直通道允许在作业线中并在管件的顶端部上方降低可旋转头部夹具组件，
其中可旋转头部夹具组件设置有保持器组件，例如工具接头保持器组件，其实施为轴向地保持管件的顶端部，例如保持在顶端部的工具接头或箱形构件，同时顶端部例如工具接头或箱形构件保持能够用于接近顶部驱动装置的旋转杆或套筒轴，例如所述工具接头或箱形构件具有肩部，并且所述可旋转头部夹具组件具有例如在所述肩部下方与所述肩部接合的一个或多个可移动保持器，
其中当顶部驱动装置的套筒轴或旋转杆(例如通过螺纹连接，并例如利用保护接头)连接至钻柱的顶端部例如连接至顶端部的工具接头或箱形构件时，所述可旋转头部夹具组件设置有适配成在钻井过程中支撑钻柱的负载的止推轴承。
在一个实施方案中，可以设想，一个特殊接头，即一个相对较短的管件，连接到钻探管件(例如钻管)的顶端部，其中特殊接头适配成与保持器组件以及与顶部驱动的旋转杆或套筒轴配合。在一个实施方案中，所述接头在其上端部具有类似于或相同于位于钻探管件(例如钻管)的端部处的这种工具接头或箱形构件的工具接头或箱形构件。例如该接头具有螺纹部分，该螺纹部分适配成与顶部驱动装置的旋转杆或套筒轴的螺纹部分螺纹拧在一起。在另一个实施方案中，所述接头和旋转杆或套筒轴缺少配合螺纹部分而具有其他转矩传递配合部分，例如所述接头具有非圆柱形部分，并且所述旋转杆或套筒轴具有配合部分，例如像六角键，例如像带球头的六角键。
在一个实施方案中，滑车包括环形框架，所述框架具有：
-顶部框架构件，其适配成从提升装置的一个或多个绞盘驱动缆索悬吊，
-下部框架构件，其从所述顶部框架构件下方间隔开，
-第一框架构件和第二框架构件，所述第一框架构件和第二框架构件将所述下部框架构件连接至所述顶部框架构件，例如所述第一框架构件和第二框架构件分别是前部框架构件和后部框架构件，或者例如所述第一框架构件和第二框架构件分别是左侧框架构件和右侧框架构件，
其中所述顶部驱动装置大致布置在环形框架的开口内，
并且其中所述下部框架构件支撑可旋转头部夹具组件。
在一个实施方案中，所述可旋转头部夹具组件包括实施为可更换单元的止推轴承。例如该单元具有壳体，所述止推轴承和组件的中心开放的本体安装在所述壳体中，所述壳体置于滑车的框架的下部框架构件的容纳器中。例如所述容纳器是下部框架构件中的顶部敞开的空腔。在另一个实施方案中，其中下部框架构件与包括止推轴承的可旋转头部夹具组件整体结合为可更换单元，使得下部框架构件成为与头部夹具组件整体结合的托架。
在一个实施方案中，所述顶部驱动装置安装在滑车的框架内，以便通过一个或多个竖直位移致动器相对于框架竖直地移动，例如适配成在一侧的套筒轴或旋转杆与另一侧的从可旋转头部夹具组件悬吊的管件的工具接头或箱形构件(例如安装在常规钻管的顶部的接头)之间的螺纹连接的形成或断开过程中对顶部驱动装置的降低和升高进行控制。
在一个实施方案中，设置一个或多个竖直位移致动器，其允许相对于所述可旋转头部夹具组件竖直地移动至少所述旋转杆或套筒轴。这种设计基于这样的见解，例如它可能有利于应用伸缩旋转杆或套筒轴，例如花键旋转杆，其例如类似于浮动套筒轴，并且允许顶部驱动器的其余部分固定的安装在滑车的框架中。
在一个实施方案中，所述组合包括一个或多个竖直位移致动器，所述竖直位移致动器适配成在一侧的套筒轴或旋转杆与另一侧的从可旋转头部夹具组件悬吊的管件的工具接头或箱形构件之间的螺纹连接的形成或断开过程中对旋转杆或套筒轴的相对降低和升高进行控制。
在其中顶部驱动装置相对于滑车的框架竖直移动的实施方案中，提供这样的布置可能是有利的，其中柔性第一钻井流体软管从升高位置悬吊并悬挂在开口环中，该软管在其端部连接至安装在滑车上的刚性管件，其中更短的柔性第二钻井流体软管连接在所述刚性管件与竖直可移动顶部驱动装置之间，例如连接到竖直可移动顶部驱动装置的流体旋转头。
在一个实施方案中，保持器组件包括枢转杆，所述枢转杠杆围绕旋转本体上的水平支点枢转，并且适配成利用该枢转杠杆的内端部而接合在位于管件的顶端部(其已插入旋转本体的开放的中心)上的肩部的下方。还可以设想其他设计，例如具有可水平滑动的保持器构件，例如像隔水管卡盘中的滑动挡块。
在一个实施方案中，设想顶部驱动装置包括齿轮箱或变速器壳体以及安装到所述壳体的两个或更多个竖直轴线电动马达，例如在顶部驱动装置的每个侧部具有一个马达。例如一个或多个竖直轴线电动马达布置在齿轮箱或变速器壳体的下方，例如每个马达在顶部驱动装置的侧部，旋转杆或套筒轴从齿轮箱或变速器壳体向下延伸到所述向下悬垂的顶部驱动马达之间的空间中。这种布置可以允许减小顶部驱动装置和/或相关框架的高度。
在一个实施方案中，框架包括长形顶部框架构件以及从所述顶部框架构件悬垂的单个的竖直后部框架构件，所述长形顶部框架构件支撑多个缆索滑轮以使得这些滑轮围绕与作业线相交的共同水平轴线旋转。然后滑车连接(例如作为焊接结构永久地连接)到所述后部框架构件。该框架还包括单个竖直前部框架构件以及单个下部框架构件，所述单个下部框架构件连接到所述前部竖直框架构件和后部竖直框架构件的下端部。顶部驱动装置然后可以由沿着前部和后部竖直框架构件的两个竖直轨道来引导，用以相对于框架竖直移动，并且如果存在的话相对于由下部框架构件支撑的可旋转头部夹具组件竖直移动。
在一个实施方案中，设想移动臂组件被用来与可移除的可旋转头部夹具组件联接，例如一个或多个吊索安装在移动臂组件与可旋转头部夹具组件之间。在另一个实施方案中，设想将机械联接器部件临时固定至可移除头部夹具组件，从而允许直接机械连接至移动臂上的配合联接器部件。
优选地，顶部驱动装置可以相对于可旋转头部夹具组件升高一定高度，使得头部夹具组件可以从下部框架构件中或下部框架构件上的顶部敞开的容纳器空腔中提升出来。
本发明还涉及一种用于钻探井孔的方法，其中使用如本文所述的滑车和顶部驱动装置的组合。
本发明还涉及一种用于钻探井孔的方法，其中使用如本文所述的滑车和顶部驱动装置的组合，其中，当钻柱的顶端部由其保持器组件轴向地保持时，钻柱从可旋转头部夹具组件悬吊，并且其中通过顶部驱动装置将旋转运动施加到钻柱，其中旋转杆或套筒轴连接至钻柱的顶端部。在此，钻柱的竖直载荷至少大部分被可旋转头部夹具组件的止推轴承吸收并且经由滑车的框架传递到钻井设备的提升装置。
本发明还涉及一种用于维修如本文所述的滑车和顶部驱动装置的组合的方法，其中可旋转头部夹具组件被实施为可更换单元，并且其中在例行维修的情况下，所述单元利用可旋转头部夹具组件而被另一个可更换单元替换。
附图说明
现在将参照附图来描述本发明。在附图中：
-图1示出了具有根据本发明的顶部驱动装置的井孔钻探设备，
-图2a以侧视图示出了图1的设备的滑车和顶部驱动装置，
-图2b从后部视图示出了图1的设备的滑车和顶部驱动装置，
-图3a示出了设置有管件夹持器构件的图1的设备的移动臂组件，
-图3b示出了图3a的移动臂的机械联接器部件和管件夹持器构件的配合，
-图3c示意性地示出了设置有机械联接器部件的电动顶部驱动马达，该机械联接器部件适配成联接至移动臂上的机械联接器部件，
-图4从上方示出了图1的设备的钻塔、滑车和移动臂组件，
-图5以立体图示出了图1的设备的滑车和顶部驱动装置，
-图6示出了可旋转头部夹具组件的一个示例，
-图7a至图7c进一步示出了图6的可旋转头部夹具组件，
-图8以立体图示出了图1的设备的滑车和顶部驱动装置的替代实施方案。
具体实施方式
图1示出了具有根据本发明的顶部驱动装置的井孔钻探设备。设想所描绘的装置是用于执行海上钻井和/或其他井孔相关活动(例如修井)的海上钻井船的一部分。
从以下描述中将清楚地看出，为了清楚起见图1仅示出了移除了顶部驱动装置的滑车。其他图整体示出了滑车和顶部驱动装置。
该设备包括钻塔1，该钻塔1在此实施为具有闭合的波状钢结构的井架，在该井架本身的外部具有至少一条作业线。例如，如本领域中已知的那样，井架布置在钻井船的船井附近，或者布置在具有两条作业线(其沿着井架1的相对的外表面)的较大的船井的上方。
在替代设计中，钻塔被实施为在井架结构内具有作业线的塔架，该塔架例如具有置于船井上方的格状结构。
图1示出了具有钻井中心3的钻台2，钻柱4、8可以沿着作业线5穿过钻井中心3，例如，滑动装置设置在该位置处。
井架1位于钻台2的设置有两个平行的竖直滑车轨道6、7的侧部。滑车10沿着滑车轨道6、7被引导。
顶部驱动装置30附接至滑车10。
顶部驱动装置30在该示例中包括两个电动顶部驱动马达31、32，所述两个电动顶部驱动马达31、32通过壳体33中的齿轮箱或变速器共同驱动旋转杆或套筒轴34。正如本领域已知的，套筒轴34(例如通过螺纹连接，例如通过保护接头)可连接至与作业线对齐的钻探管件的顶端部。由此，顶部驱动装置30能够将旋转运动和驱动扭矩施加到钻柱。
设置提升装置50，该提升装置50适配成沿着竖直滑车轨道6、7上下移动具有顶部驱动装置的滑车。
左侧移动臂轨道60和右侧移动臂轨道61沿着所述竖直滑车轨道6、7而存在于具有顶部驱动装置30的滑车10的竖直行进路径的相对的侧部上。
在所述移动臂轨道60、61中的每个上设置有至少一个(这里优选为三个)移动臂组件70、71、72；80、81、82。如优选的，每个组件受到独立于同一轨道60、61上的任何其他组件的控制，其通过相应的移动臂组件竖直驱动器而沿相应的轨道竖直移动。
图3a示出了移动臂组件70的一个可能的实施方案，其优选地具有相同设计的其他组件71、72、80、81、82。
组件70是轨道60上的最下部的组件。组件70包括基部74，所述基部74可移动地安装在轨道60上。
该组件进一步包括可伸出和可缩回的移动臂75，在此是具有连接至基部74的第一臂部段75a以及一个或多个(在此为两个)可伸缩的第二臂部段75b和第三臂部段75c的伸缩臂。例如，这些臂部段可通过臂75的相关联的液压缸伸出。移动臂具有环绕作业线的操作范围，从而使得臂能够操作钻探管件和/或钻井中心设备或需要存在于或保持在作业线中的其他工具。
优选地，臂75(在此为第一臂部段75a)通过旋转轴承76连接至基部74，从而允许通过相关联的旋转驱动器围绕竖直轴线旋转所述臂。
组件70进一步包括移动臂组件竖直驱动器，在此具有一个或多个马达78，每个马达驱动与沿着轨道60延伸的齿条啮合的小齿轮。因此，所述基部可以沿着至少一个竖直移动臂轨道移动，并且具有马达78的驱动器足够强大，从而使得移动臂组件在作业线中承载至少1000kg，优选至少5000kg的负载。
在移动臂75的末端，在此为在第三部段75c的末端，设置有机械联接器部件79。
借助于联接器部件，移动臂组件70(在此为所描绘的移动臂组件中的每一个)能够支撑至少一个钻井中心工具(例如铁钻工85)或管件夹持器构件90，并且允许将所述钻井中心工具或管件夹持器构件置于作业线中。
由于这个原因，每个所述管件夹持器构件90和/或铁钻工85设置有机械联接器部件91(参见图3b)，该机械联接器部件91适配成与装配在移动臂上的机械联接器部件79配合从而使得相应的夹持器构件、铁钻工或其他钻井中心工具固定至相应的移动臂，并完全地且直接地跟随移动臂的任何运动。
如图2a、图2b和图3c所示，可以设想，每个顶部驱动马达31、32还设置有(例如永久地或仅在维修期间临时地)机械联接器部件37、38，该机械联接器部件37、38适配成与安装在组件70的移动臂75上的机械联接器部件79配合，使得马达可以固定至移动臂，并完全地且直接地跟随移动臂的任何运动。
当马达与顶部驱动装置30的其余部分断开时，所述移动臂设计为承载顶部驱动马达31、32的重量，并且优选地还通过具有一个或多个马达76的驱动器来竖直地运输所述马达。
如所描绘的，可以设想的是，联接器部件79、37、38允许通过竖直相对移动将马达31、32连接至臂75，例如利用联接器部件79的一个或多个钩状部从马达31、32上的相应的提升凸台或提升销下方接合。可以理解的是，其他机械联接器装置也可以获得所述期望的马达与臂75之间的直接机械联接。
在较不优选的实施方案中，顶部驱动马达31、32没有直接机械固定至相应的移动臂，而是使用缆索或其他类似的柔性构件来将马达从移动臂悬吊。由一个柔性元件例如缆索而从该臂悬吊，但不能充分利用移动臂的运动控制和稳定性来对定位马达，这在船舶的运动可能造成问题的海上应用中尤其不利。
可以设想，顶部驱动马达31、32安装在顶部驱动装置中以布置在其相应的左侧侧部和右侧侧部上，从而允许一个或多个左侧移动臂组件70、71、72用于移除左侧顶部驱动马达31，并允许一个或多个右侧移动臂组件80、81、82用于移除右侧顶部驱动马达32。
可以设想，例如在顶部驱动马达31、32中的一个发生故障和/或需要通过移除马达而接近齿轮箱或变速器壳体的情况下，移动臂组件(例如最下部的组件70、80)在如下过程中使用：即从顶部驱动装置移除顶部驱动马达而顶部驱动装置的其余部分则保持附接至滑车10。
例如在该移除过程中，滑车10降低，使其靠近钻台2的上方。然后，操作移动臂组件70(已将所有的钻井中心工具和/或管件夹持器构件从移动臂组件70移除)，使得顶部驱动马达31处于移动臂70的操作范围内。然后，移动臂75延伸并到达顶部驱动马达31，并且顶部驱动马达31通过使联接器部件79与驱动马达31的相应联接器部件37配合而连接至移动臂75。然后在顶部驱动马达31与顶部驱动装置的其余部分断开时使用移动臂75来支撑和/或提升、降低该顶部驱动马达31。例如当滑车和/或顶部驱动装置的其余部分被提升以从装置30的其余部分清除马达31时，所述臂保持马达31。
在一个实施方案中，可以设想，如果一侧上的移动臂组件用于与顶部驱动马达联接并且移除顶部驱动马达，则另一侧上的移动臂组件用于稳定顶部驱动装置和/或滑车。例如该另一个移动臂组件联接至顶部驱动装置的另一侧上和/或齿轮箱/变速器的壳体上和/或滑车的部件或顶部驱动装置的框架上的顶部驱动马达，该顶部驱动马达不会被移除。例如滑车的框架同样具有一个或多个机械联接器部件，该机械联接器部件可机械地固定至一个或多个组件70、71、72、80、81、82的移动臂上的机械联接器部件。
可以设想，在一个实施方案中，该设备包括在移动臂组件(例如在轨道60、61中的一个上的最下部的组件)的操作范围内的备用顶部驱动马达和备用顶部驱动马达存放室。优选地，该备用马达永久地或临时地设置有机械联接器部件，该机械联接器部件将与移动臂上的机械联接器部件79配合以使备用顶部驱动马达固定至相应的移动臂。优选地，移动臂适配成用于将备用顶部驱动马达移出存放室然后将其带到顶部驱动装置，其中备用顶部驱动马达可以装配到顶部驱动装置以替代发生故障的顶部驱动马达。
如所描绘的，存在两个分别沿着井架10的相应侧的单个管件存放架110、120。这些架110、120中的每个都适配成以竖直方向存放多节管件(在此为三节管件8(大约36米))。
示出了每个竖直轨道60、61上的两个移动臂组件71、72、81、82装备有管件夹持器85。轨道60、62的高度至少使得上部组件72、82可以布置成在适当高度位置处夹持存放架110、120中的管件。
具有夹持器85的组件可以一致地操作，以作为管件排放装置的一部分从而允许运输钻探管件(例如在作业线与相应的存放架110、120之间的钻管或套管或其他钻探管件)。
滑车10设置有支撑顶部驱动装置30的刚性框架150。通常在所示的优选实施方案中，框架150在通过作业线5并垂直于井架的相邻侧的中央竖直平面中和/或通过轨道60、61的平面中形成刚性环。
框架150具有顶部框架构件151，该顶部框架构件151从提升装置50的一个或多个绞盘驱动缆索悬吊。在此，优选地，顶部框架构件151承载并排布置的多个传送滑轮51，滑轮51具有共同的水平旋转轴线。一个或多个提升缆索52在天车54的这些传送滑轮51与滑轮53之间延伸，一个或多个缆索52从天车54传递到一个或多个绞盘(未示出)。优选地，设置升沉补偿机构，其作用在一个或多个缆索52上以对滑车10和所附接的顶部驱动装置30进行升沉补偿。
框架包括从顶部框架构件151下方间隔的下部框架构件152，其通过前部框架构件153和后部框架构件154刚性地连接至顶部框架构件151。
下部框架构件152垂直于顶部框架构件上的多个滑轮51的旋转轴线延伸。这个实施方案例如有利地与顶部驱动装置结合，其中两个竖直轴线电动顶部驱动马达31、32(例如所示的左侧马达和右侧马达)布置在齿轮箱或变速器壳体33下方。
壳体33沿着框架构件153、154(例如通过框架构件153、154上的导轨)被引导，例如还吸收驱动马达31、32的反作用转矩。
优选地，这些马达31、32在竖直投影中位于下部框架构件152的相对的侧部上。以在此所描述的方式或以其他方式移除这些马达31、32是便利的，这是因为一旦所述马达31、32与壳体33分开就可以相对于齿轮箱或变速器壳体轻易地降低。应该理解的是，所述降低可以通过升高滑车和/或降低相应的移动臂组件来执行。
下部框架构件152(例如实施为具有两个平行的下部框架梁)支撑可旋转头部夹具组件140，该头部夹具组件140设置有中心开放的本体141，该本体141具有穿过其中的竖直通道，该竖直通道允许从管件8的顶端部上方或者从钻台安装的滑动装置悬吊的柱的顶端部上方在作业线5中降低所述头部夹具组件140，例如在钻井操作期间通过具有夹持器构件90的排放装置将所述头部夹具组件140定位在作业线中。
可旋转头部夹具组件设有工具接头保持器组件，例如其中保持器在管件的工具接头或箱形构件的肩部下方接合，该保持器实施为将工具接头或箱形构件轴向地保持在管件的顶部，同时所述工具接头或所述箱形构件保持可到达顶部驱动装置30的套筒轴34或旋转杆的顶部。
优选地，可旋转头部夹具组件设置有止推轴承142，当顶部驱动装置的套筒轴34或旋转杆(例如通过螺纹连接，例如利用保护接头)而连接至工具接头或箱形构件时，所述止推轴承适配成在钻井过程中支撑钻柱4的负载。这种布置可以省去顶部驱动装置自身中的止推轴承，并且将所述止推轴承安装在框架的下部框架构件中或下部框架构件上。可旋转头部夹具组件因此可以可旋转地支撑整个钻柱并且允许由顶部驱动装置的旋转杆或套筒轴施加管柱的旋转运动。
设置与具有变速器和一个或多个顶部驱动马达31、32的顶部驱动器的结构分离的具有止推轴承142的可旋转头部夹具组件140，与现有装置相比，这使得顶部驱动装置30的复杂性降低，在现有装置中止推轴承位于装置30的壳体内并且非常难以接近和更换。
包括止推轴承142的可旋转头部夹具组件140优选地实施为可更换单元，所述可更换单元例如具有在其中安装有该组件的止推轴承和中心开放的本体的壳体，并且其中所述壳体被置于下部框架构件152的容纳器中。例如所述容纳器是下部框架构件中的顶部敞开的空腔。
例如可旋转头部夹具组件140设计为操纵至少1000吨重的作业线负载。
附图标记190表示扳手装置，其在进行螺纹连接的形成或断开时允许保持由组件140保持的工具接头或箱形构件。
顶部驱动装置30安装在框架150内，以便通过一个或多个竖直位移致动器39而相对于框架竖直地移动，所述竖直位移致动器39例如适配成在一侧的的套筒轴34或旋转杆与另一侧的从可旋转头部夹具组件140悬吊的管件的工具接头或箱形构件之间的螺纹连接的形成或断开过程中对顶部驱动装置的降低和升高进行控制。
参照图6、图7a至图7c，现在将更详细地讨论可旋转头部夹具140的实施方案。
头部夹具140在此包括：
-中心开放的旋转本体141，其限定了与作业线5成一直线的竖直通道141a，以允许钻柱的钻管或管件在作业线5中通过，例如装配到钻柱或钻管的顶端部以适配成钻柱的特殊接头，并且在其顶端部具有类似于构成钻柱的管件的工具接头或箱形构件；
-支撑旋转本体141的止推轴承143，其在井孔中沿着作业线5悬挂的钻柱的满负荷下允许旋转本体141旋转；例如止推轴承的额定载荷为1000吨或更高；
-由旋转本体141支撑的多个可移动保持器142，以提供可旋转头部夹具140的操作模式和非操作模式。
在所示的实施方案中，可旋转头部夹具140包括支撑止推轴承143的壳体149，所述壳体由下部框架构件152支撑。可选地，下部框架构件152直接地通过止推轴承143支撑头部夹具140。无论哪种方式，下部框架构件152吸收所悬吊的钻柱的负载，然后通过框架构件153、154直接将负载传输至顶部框架构件151。顶部框架构件151由提升装置(例如绞盘和缆索提升装置)悬吊，在此提升装置具有附接至所述顶部框架构件151的传送滑轮51。在作业线5中从头部夹具140悬吊并由此由止推轴承143支撑的钻柱的竖直载荷或重量不经过顶部驱动装置30，这允许顶部驱动装置30(例如顶部驱动装置30的齿轮箱或变速器壳体)的结构简单且重量更轻。
在此，旋转本体141实施为具有支撑可移动钻管保持器142的凸缘顶端部141a的圆柱体141b。止推轴承143支撑旋转本体的凸缘顶端部41a。
此外，在所示的实施方案中并且作为优选地，在旋转本体141的底端部设置有附加的径向负载轴承144。轴承连接部149a是任选地与壳体149整合在一起的静态框架部件，所述轴承接头149a在中心开放的旋转本体(其底端部具有轴承144)的上侧连接止推轴承143。
在所示的实施方案中，下部框架构件还支撑扶正器，其具有布置在头部夹具140下方以扶正钻柱的一个或多个扶正器构件210。这种扶正器在本领域中是已知的。
可移动保持器142在非操作位置与操作位置之间是可移动的。在非操作位置(未示出)上，保持器142允许钻柱的管(例如安装至钻柱的特殊接头)穿过通道141a。在如图4所示的操作位置中，保持器142接合在管或管件(例如钻柱8的特殊接头)的工具接头或箱形部件8a的肩部8b的下方，钻柱8延伸穿过通道141a以由保持器142悬吊所述钻柱。
在所示的实施方案中，可移动保持器142均具有夹爪142a以接合在工具接头的肩部附近或位于肩部处的钻探管件上，夹爪142a优选地是可更换的夹爪，从而能够使直径和/或形状与钻管或工具的类型相配合。
在图7a至图7c中，以俯视图、立体图和侧视图示出了头部夹具的可能的实施方案。该头部夹具设置有两组，每组分别具有三个可移动钻管保持器142和142'。每组都适配成保持不同类型的管。这是有利的，因为这可以使一组处于非操作位置而另一组处于操作位置。
图6和图7a至图7c的可移动保持器142、142’例如被实施为包括臂部和支点的枢转杆，该支点142c固定至旋转本体141(在此为旋转本体141的凸缘141a上)。臂部的一个端部142a适配成在操作位置接合在管或管件上。在此，臂部的这个端部142a设置有夹爪142d。在非操作位置上具有与管通道成一直线的清空的区域以允许钻柱的管通过。臂部的另一个端部142b可由致动器146操作以使臂部的相对端部在操作位置与非操作位置之间移动。在此，致动器146被实施为接合在臂部端部142b上的可液压操作的指状件。
柔性第一钻井流体软管170从钻台10上的升高位置悬吊并悬挂在环中，并且在另一个端部处连接至安装在滑车上的刚性管件171。另一个更短的柔性第二钻井流体软管172连接在所述刚性管件171与竖直可移动顶部驱动装置30之间(例如连接到竖直可移动顶部驱动装置30的流体旋转头36a)。应该理解，后者流体软管172可能相当短。可以为将要连接到顶部驱动装置的任何液压和/或电力管路提供相同的布置。以这种方式，竖直可移动顶部驱动装置不受长的第一钻井流体软管和其他管路的重量的影响，如果钻井设备例如是实施为操纵三节管件或四节管件，那么长的第一钻井流体软管和其他管路的重量可能是相当大的。
示出了顶部驱动装置包括齿轮箱或变速器壳体33以及安装到该壳体的两个或更多个竖直轴线电动马达31、32，在此在顶部驱动装置30的每个侧部具有一个马达。一个或多个竖直轴线电动马达31、32布置在齿轮箱或变速器壳体33的下方，例如每个马达在顶部驱动装置的侧部，旋转杆或套筒轴34从齿轮箱或变速器壳体33向下延伸到所述向下悬垂的顶部驱动马达31、32之间的空间中。这种布置可以允许减小顶部驱动装置30和/或相关框架150的高度。
滑车在此作为永久焊接结构连接至后部框架构件154。
在一个实施方案中，设想移动臂组件被用来与可移除的可旋转头部夹具组件140联接，例如一个或多个吊索安装在移动臂组件140与可旋转头部夹具组件之间。在另一个实施方案中，设想将机械联接器部件临时固定至可移除头部夹具组件140，从而允许直接机械连接至移动臂上的配合联接器部件79。
优选地，顶部驱动装置30可以通过致动器39相对于可旋转头部夹具组件140升高一定高度，使得头部夹具组件140可以从位于下部框架构件中的或位于下部框架构件上的顶部敞开的容纳器空腔中提升出来。
框架150和提升装置50优选地具有足够的强度和能力以在适当的时候操纵深水隔水管柱的重量。例如隔水管提升工具可以附接至框架的下部框架构件152，例如下部框架构件152在其相对的侧部具有连接管接头156，隔水管提升工具可以从该连接管接头156悬吊。
例如框架150和提升装置50具有足够的强度和能力来在作业线中操纵1000吨或更多的负载。
图8描绘了替代的滑车310，尤其是替代的框架。
滑车310设置有支撑顶部驱动装置30的刚性框架350。通常，在所描绘的实施方案中，框架350在通过作业线5并且垂直于井架的相邻侧的中央竖直平面中和/或通过轨道60、61的平面中形成刚性环。
框架350具有顶部框架构件351，该顶部框架构件351由提升装置50的一个或多个绞盘驱动缆索悬吊。在此，优选地，顶部框架构件351承载并排布置的多个传送滑轮51，例如滑轮51具有共同的水平旋转轴线。一个或多个提升缆索在天车的这些传送滑轮51与滑轮之间延伸，一个或多个缆索从天车传递到一个或多个绞盘(未示出)。优选地，设置升沉补偿机构，其作用在一个或多个缆索上以对滑车310和所附接的顶部驱动装置30进行升沉补偿。
在此框架包括可释放的下部框架构件或可旋转头部夹具托架352，其从顶部框架构件351的下方间隔开。
下部框架构件或可旋转头部夹具托架352通过框架构件353和框架构件354而连接至顶部框架构件351，使得由可旋转头部夹具中的止推轴承吸收的竖直载荷通过所述框架构件353、354直接传递到顶部框架构件，而不会经过顶部驱动装置30。
如示意性示出的，所设置的托架352可以从构件353、354的下端部释放，以便使托架和可旋转头部夹具140远离顶部驱动装置30的下方。
托架352在此垂直于顶部框架构件上的多个滑轮51的旋转轴线延伸。这个实施方案例如与顶部驱动装置相结合是有利地，其中两个竖直轴线电动顶部驱动马达331布置在齿轮箱或变速器壳体333下方，例如如图所示的左侧马达和右侧马达。另一种布置，例如托架也被设想为平行于顶部框架构件151。在所述实施方案中，框架构件353、354将实施为框架的左侧框架构件和右侧框架构件。
顶部驱动装置30的壳体333沿着一个或多个竖直框架构件353、354(例如通过竖直框架构件353、354上的导轨)被引导，例如还吸收一个或多个驱动马达331的反作用转矩。
在此，这些马达331、332在竖直投影中位于下部框架构件352的相对的侧部上。
顶部驱动装置30安装在框架350内，以便通过一个或多个竖直位移致动器39相对于框架竖直地移动，所述一个或多个竖直位移致动器39例如适配成在一侧的套筒轴334或旋转杆与另一侧的从可旋转头部夹具组件140悬吊的管件的工具接头或箱形构件之间的螺纹连接的形成或断开过程中对顶部驱动装置的降低和升高进行控制。
滑车和提升装置50的框架优选地具有足够的强度和能力以在适当的时候操纵深水隔水管柱的重量。例如隔水管提升工具可以附接至竖直框架构件18、19；353、354，例如在去除托架19、352之后，然后附接至所述竖直框架构件。
总体上可以理解的是，在去除托架19、352的情况下，其他部件可以从滑车框架的第一竖直框架构件和第二竖直框架构件悬吊。
还可以理解的是，如果需要，可以将普通升降机装置附接至框架，例如附接至托架19、352，例如用于操纵由猫道机供应的管件。

Claims (13)

1.一种用于维修井孔钻探设备的顶部驱动装置的方法，其中，所述设备包括：
-钻塔，
-具有钻井中心的钻台，钻管柱能够沿着作业线穿过所述钻井中心，
-至少一个竖直滑车轨道，
-滑车，所述滑车沿着所述至少一个竖直滑车轨道被引导，
-顶部驱动装置，其附接至所述滑车，所述顶部驱动装置包括一个或多个顶部驱动马达，其适配成在钻管柱连接至所述顶部驱动装置时将旋转运动施加到钻管柱，
-提升装置，其适配成沿着所述至少一个竖直滑车轨道上下移动具有所述顶部驱动装置的所述滑车，
-竖直移动臂轨道，
-移动臂组件，其包括基部和可伸长和可缩回的移动臂，其中所述基部由所述至少一个竖直移动臂轨道引导，并且其中所述移动臂具有环绕所述作业线的操作范围，所述移动臂组件适配成支撑钻井中心工具和管件夹持器构件中的至少一个，并且允许将所述钻井中心工具或管件夹持器构件置于作业线中，
-移动臂组件竖直驱动器，其适配成沿着所述至少一个竖直移动臂轨道移动移动臂基部，
其特征在于，为了在顶部驱动装置的其余部分保持附接至所述滑车时从顶部驱动装置移除顶部驱动马达，操作移动臂组件和/或滑车以使顶部驱动马达在移动臂的操作范围内，操作移动臂用以到达至顶部驱动马达，并且顶部驱动马达连接至所述移动臂，然后在顶部驱动马达与顶部驱动装置的其余部分断开连接时使用移动臂来支撑和/或提升、降低所述顶部驱动马达。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述顶部驱动马达永久性地或仅在维修期间临时性地安装有机械联接器部件，所述机械联接器部件与安装在移动臂上的相应的机械联接器部件配合，使得马达固定至移动臂，而且完全地并直接地跟随移动臂的任何运动。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述一个或多个钻井中心工具和/或管件夹持器构件由用于移除顶部驱动马达的移动臂来操纵，并且所述一个或多个钻井中心工具和/或管件夹持器构件设置有与顶部驱动装置的一个或多个马达类似的机械联接器部件。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，在维修期间在顶部驱动马达的所述移除中所使用的移动臂在井孔钻探过程中沿着所述至少一个竖直移动臂轨道定位在靠近钻台的位置以支撑在钻井中心上方的铁钻工，并且其中，在必须移除顶部驱动马达的情况下，滑车朝向钻台降低，使得顶部驱动马达处于所述移动臂的操作范围内，然后随着铁钻工与移动臂分离，所述移动臂连接至驱动马达，并且在顶部驱动马达从顶部驱动装置的其余部分移除的过程中支撑和/或提升、降低所述顶部驱动马达。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述滑车的竖直行进路径的相对的侧部上沿着所述至少一个竖直滑车轨道存在有左侧和右侧移动臂轨道，所述滑车具有顶部驱动装置，并且其中，在所述移动臂轨道中的每个上布置有至少一个移动臂组件，其通过相应的移动臂组件竖直驱动器沿着相应的轨道能够竖直移动，并且其中，如果一侧上的移动臂组件用于移除顶部驱动马达，则另一侧上的移动臂组件用于稳定顶部驱动装置和/或滑车。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述滑车的竖直行进路径的相对的侧部上沿着所述至少一个竖直滑车轨道存在有左侧和右侧移动臂轨道，所述滑车具有顶部驱动装置，并且其中，在所述竖直移动臂轨道中的每个上布置有至少一个移动臂组件，其通过相应的移动臂组件竖直驱动器沿着相应的轨道能够竖直移动，并且其中，顶部驱动装置在其相应的左侧部和右侧部上具有一个或多个顶部驱动马达，其中左侧移动臂组件用于移除左侧顶部驱动马达，而右侧移动臂组件用于移除右侧顶部驱动器马达。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，备用顶部驱动马达存放在位于移动臂组件的操作范围内的室中，所述备用顶部驱动马达设置有机械联接器部件，所述机械联接器部件与移动臂上的相应的机械联接器部件配合，以将备用顶部驱动马达固定至相应的移动臂上，其中移动臂用于将备用顶部驱动马达移出所述室，然后将其带到顶部驱动装置，将备用顶部驱动马达安装至顶部驱动装置，从而替代发生故障的顶部驱动马达。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，至少一个管件存放架在其中以竖直方向存放多节管件，并且其中，多个移动臂组件沿着所述至少一个竖直滑车轨道布置在相应的竖直移动臂轨道上，竖直移动臂轨道沿着具有顶部驱动装置的所述滑车的竖直行进路径的侧部，所述移动臂中的至少两个设置有管件夹持器构件，所述移动臂轨道延伸超过这样的高度，使得存放在存放架中的多节管件可以由移动臂组件的夹持器构件夹持，移动臂组件的夹持器构件作为管件排放装置的一部分一起动作。
9.一种具有顶部驱动装置的井孔钻探设备，其中，所述设备包括：
-钻塔，
-具有钻井中心的钻台，钻管柱能够沿着作业线穿过所述钻井中心，
-至少一个竖直滑车轨道，
-滑车，所述滑车沿着所述至少一个竖直滑车轨道被引导，
-顶部驱动装置，其附接至所述滑车，所述顶部驱动装置包括一个或多个顶部驱动马达，其适配成在钻管柱连接至所述顶部驱动装置时将旋转运动施加到钻管柱，
-提升装置，其适配成沿着所述至少一个竖直滑车轨道上下移动具有所述顶部驱动装置的所述滑车，
-竖直移动臂轨道，
-移动臂组件，其包括基部和可伸长和可缩回的移动臂，其中所述基部由所述至少一个竖直移动臂轨道引导，并且其中所述移动臂具有环绕所述作业线的操作范围，所述移动臂组件适配成支撑钻井中心工具和管件夹持器构件中的至少一个，并且允许将所述钻井中心工具或管件夹持器构件置于作业线中，
-移动臂组件竖直驱动器，其适配成沿着所述至少一个竖直移动臂轨道移动移动臂基部，
-机械联接器部件，其安装在所述移动臂上，
其特征在于，所述顶部驱动马达永久性地或仅在维修期间临时性地安装有机械联接器部件，所述机械联接器部件与安装在移动臂上的机械联接器部件配合，使得马达固定至移动臂，而且完全地并直接地跟随移动臂的任何运动。
10.根据权利要求9所述的井孔钻探设备，其中，所述设备包括一个或多个钻井中心工具和/或一个或多个管件夹持器构件，所述一个或多个钻井中心工具和/或一个或多个管件夹持器构件设置有与顶部驱动装置的一个或多个马达类似的机械联接器部件从而允许其联接至安装在移动臂上的机械联接器部件。
11.根据权利要求9或10所述的井孔钻探设备，其中，在所述滑车的竖直行进路径的相对的侧部上沿着所述至少一个竖直滑车轨道存在有左侧和右侧移动臂轨道，所述滑车具有顶部驱动装置，并且其中，在所述移动臂轨道中的每个上布置有至少一个移动臂组件，其通过相应的移动臂组件竖直驱动器沿着相应的轨道能够竖直移动。
12.根据权利要求9所述的井孔钻探设备，其中，在所述滑车的竖直行进路径的相对的侧部上沿着所述至少一个竖直滑车轨道存在有左侧和右侧移动臂轨道，所述滑车具有顶部驱动装置，并且其中，在所述竖直移动臂轨道中的每个上布置有至少一个移动臂组件，其通过相应的移动臂组件竖直驱动器沿着相应的轨道能够竖直移动，并且其中，顶部驱动装置在其相应的左侧部和右侧部上具有一个或多个顶部驱动马达，其中左侧移动臂组件适配成用来移除左侧顶部驱动马达，而右侧移动臂组件适配成用来移除右侧顶部驱动器马达。
13.根据权利要求9所述的井孔钻探设备，其中，所述设备包括备用顶部驱动马达和在移动臂组件的操作范围内的备用顶部驱动马达存放室，所述备用顶部驱动马达设置有机械联接器部件，所述机械联接器部件与移动臂上的机械联接器部件配合，以将备用顶部驱动马达固定至相应的移动臂上。
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