CN111886396B - 用于钻机的地钳 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于形成或断开钻杆接头的扳钳。该扳钳包括具有上钳和下钳的夹钳组件。上钳具有第一上半钳和第二上半钳，该第一上半钳和第二上半钳在它们的第一端可枢转地连接。下钳具有第一下半钳和第二下半钳，该第一下半钳和第二下半钳在它们的第一端可枢转地连接。一中心轴承可操作地耦合上钳和下钳，以允许上钳相对于下钳旋转，或者相反。该夹钳组件具有油缸组件以用于在上钳的切向位置推动或拉动上钳，并且该油缸组件缩回或伸出以在打开位置、闭合位置、以及上钳相对于下钳旋转的旋转闭合位置之间移动夹钳组件。

Description

用于钻机的地钳

交叉引用

本申请要求于2017年10月30日提交的标题为“用于钻机的改进型自动地钳”的美国临时专利申请62/578,676的优先权，该专利申请的全部内容通过引用结合在此。

技术领域

本公开涉及在钻机上使用的改进型自动地钳(floor wrench)。更具体地说，本公开提供一种用于使钻杆居中并围绕钻杆的外周夹紧钻杆的动力钳块的改进型自动地钳。

背景技术

用于钻机的自动地钳是已知的。通常，自动地钳可包括两个彼此相反的油缸(ram)，每个油缸具有一对用于接触并夹紧钻杆的钳牙(tong die)；或者包括围绕钻杆的外周相隔120度布置的三个油缸，每个油缸具有用于接触和夹紧钻杆的钳牙。

但是，迄今为止，已知的扳钳有多种缺陷和不足。例如，钳牙接触和夹紧钻杆所需的力可能划伤或损坏钻杆表面，导致钻杆过早磨损。使用两个或三个油缸还需要在钻杆上的两个、三个甚至四个点施加很大的力，这可能导致钻杆在这些点处被挤压或变形，也会导致钻杆过早磨损和使用寿命缩短。

已经开发了一些钻机地钳，这些钻机地钳可包括改进型夹钳组件，该夹钳组件具有多个铰接钳块，每个钳块能够与其他钳块彼此互锁和互换，并且每个钳块具有至少一个钳牙油缸组件，如在PCT/CA2014/000401中所述。

发明内容

根据本公开的一个主要方面，提供了一种包括夹钳组件的扳钳，该夹钳组件包括：上钳，该上钳包括第一上半钳和第二上半钳，第一和第二上半钳在其第一端可枢转地连接，并且在其第二端可释放地连接；下钳，该下钳包括第一下半钳和第二下半钳，第一和第二下半钳在其第一端可枢转地连接，并且在其第二端可释放地连接；中心轴承，该中心轴承可操作地耦合上钳和下钳，以允许上钳相对于下钳旋转；以及用于在上钳的切向位置推动或拉动上钳的油缸组件；并且其中所述油缸组件配置为在打开位置与闭合位置之间移动夹钳组件，在打开位置，第一和第二上半钳的第二端与第一和第二下半钳的第二端分开，以在它们之间限定钳口，在闭合位置，第一和第二上半钳的第二端与第一和第二下半钳的第二端接合，以在第一上下半钳和第二上下半钳之间限定开口；其中所述油缸组件可完全缩回以将夹钳组件置于打开位置；并且其中所述油缸组件可部分地缩回以将夹钳组件置于闭合位置。

根据本公开的另一个主要方面，提供了一种操作扳钳的夹钳组件的方法，该方法包括：通过缩回耦合至夹钳组件的油缸组件来打开夹钳组件，以提供接近其中限定的钻杆开口的通路，所述夹钳组件包括上钳和下钳以及可操作地耦合上钳和下钳以允许它们之间的相对旋转运动的中心轴承，并且所述油缸组件耦合至上钳和下钳；通过使油缸组件伸出从而在上钳的切向位置推动上钳来闭合夹钳组件；并且锁定上钳和下钳。

附图说明

图1是本公开的一个实施例的扳钳的侧视透视图；

图2是图1所示的扳钳的侧视平面图；

图3是图1所示的扳钳的俯视平面图；

图4是一个实施例的图1所示的扳钳的夹钳组件的前视透视图，该夹钳组件显示为处于打开位置；

图5是图4的夹钳组件的后视透视图；

图6是图4所示的夹钳组件处于闭合位置时的前视透视图；

图7是图6所示的夹钳组件的后视透视图；

图8是图4的夹钳组件的前视透视图，所示的夹钳组件不带侧盖；

图9是图8所示的夹钳组件的后视透视图；

图10是图8的夹钳组件的前视透视图，所示的夹钳组件处于旋转闭合位置，不带一部分侧盖；

图11是图10所示的夹钳组件的后视透视图；

图12是图4所示的夹钳组件的俯视平面图；

图13是图4所示的夹钳组件的前视平面图；

图14是沿图13的A-A线截取的夹钳组件的横截面图；

图15是沿图12的B-B线截取的夹钳组件的横截面图；

图16是一个实施例的图1的扳钳的夹钳组件的钳牙卡盘的前视透视图；

图17是图16所示的钳牙卡盘的后视透视图；

图18是图4的夹钳组件的上钳的前视透视图，所示的上钳不带钳牙卡盘；

图19是图4的夹钳组件的下钳的前视透视图，所示的下钳不带钳牙卡盘；

图20是沿图12的D-D线截取的夹钳组件的横截面图；

图21是图20所示的夹钳组件的区域“E”的详图；

图22是图14所示的夹钳组件的区域“F”的详图；和

图23是图4所示的夹钳组件的侧视横截面图。

具体实施方式

根据本文的实施例，提供了一种在钻台上使用的改进型自动地钳。该扳钳或改进型装置100包括功能强大的模块化自动地钳，该地钳在操作时能提高钻杆上的扭矩的准确性和一致性，使得维护更容易且更迅速，并减少停机时间。

在一些实施例中，该装置100可实现与钻杆的360度径向接触，减少滑动、工具接头磨损和钻杆变形，并有助于钻杆对准。由于钻杆外周周围的径向接触面积较大，在扳钳的操作过程中由每个钳牙油缸施加在钻杆上的力得以减小，从而最大限度地减少钻杆和扳钳本身的潜在损坏。该装置100的一个优点是，它可适应不同的钻杆尺寸和更长的工具接头，同时在钻杆的每段上提供精确的扭矩。另一个优点是，该装置100可完全或部分地自动化，提供一种无线免持操作系统，从而提高整体安全性，并允许在每个钻杆连接处远程测量和监测数据(从而改善诊断并实现预防性维护)。现在将参照图1至23说明该装置。

请参考图1-3，该装置100可安装到钻台上。概括地说，在一些实施例中，该装置100可通过可旋转的定位系统2安装到钻台上，该可旋转的定位系统2配置为接收并容纳装置100的夹钳组件50，该定位系统2包括可旋转的底座8，并具有枢转臂构造，该枢转臂构造具有可围绕第一接头5枢转的至少两个枢转臂3a、3b。定位系统2还包括位于枢转臂3b的一端的提升组件4，并且夹钳组件50通过托架6和侧安装架11支撑并安装在提升组件4上。提升组件4配置为容纳布置在其中的夹钳组件50并控制夹钳组件50的运动。

请进一步参考图1-3，底座8可包括向下突出的凸轴(未示出)，该凸轴可延伸到钻台凹窝中，并且底座8可进一步包括底板，该底板可固定到安装在钻台上的接收板上。因此，底座8可旋转地位于钻台上，使得定位系统2可围绕第一轴线(例如基本上垂直于钻台)旋转。定位系统2围绕第一轴线的完全旋转使得夹钳组件50与钻杆(未示出)能够更精确并有效地对准，钻杆可在钻台上位于井中心或附加的接管孔位置。例如，在夹钳组件50与钻杆未对准的情况下，可使定位系统2旋转(所需的任何角度)并小心地导引成与钻杆对准。

定位系统2可包括至少两个枢转臂3a、3b；至少一个第一枢转臂3a可操作地连接至底座8并从底座8延伸，而至少一个第二枢转臂3b配置为通过提升组件4接收夹钳组件50。在此方面，当定位系统的底座8围绕第一轴线旋转时，至少两个枢转臂3a、3b以及相应的夹钳组件50也旋转。所述至少两个枢转臂3a、3b可围绕枢转接头5枢转，这种枢转(即，伸出和缩回)可操作地由至少一个液压缸驱动，优选由至少两个液压缸9a、9b驱动。

在此方面，定位系统2可操作以围绕接头5打开或闭合(即，在伸出或缩回位置之间)；围绕底座8旋转；并且向上或向下移动提升组件4，以便以六个自由度围绕钻台操控夹钳组件50(即，朝向和远离井筒)。应理解，此定位系统2显著减小了装置100的总占地面积，并且在不使用时，装置100可缩回到闭合位置并朝远离井筒的方向旋转，例如从装置的操作位置旋转大约90度至大约180度。在图1-3中，扳钳100被示为定位系统2处于伸出位置。

请继续参考图1-3，该装置100可与旋转器组件7结合使用。应理解，所述旋转器可以是本领域已知的常规旋转器，并具有最大12英寸的独立竖向行程，并且能够适应不同尺寸的钻杆和更长的工具接头。

请参考图4-11，扳钳100包括夹钳组件50，该夹钳组件50可包括上钳52、下钳54和托架6。上钳52可旋转地设置在下钳54上，一中心轴承64(在图21中示出)可操作地将两个钳耦合在一起，使得上钳52能够相对于下钳54围绕共同的中心轴线旋转，同时下钳54由托架6保持静止。在一些实施例中，夹钳组件50可包括从下钳54向下延伸的一个或多个销，该销可通过托架6插入到相应的孔中。托架6可进一步包括安装枢轴22。

为了实现钳之间的旋转运动，夹钳组件可包括液压油缸组件58，该液压油缸组件58用于在相对于另一个钳的切向位置推动其中一个钳，并用于在相对于另一个钳的切向位置拉动其中一个钳。在一个实施例中，为了相对于下钳54逆时针旋转上钳52(当从上方观察时)以断开钻杆接头，油缸组件58沿切向推动上钳52。为了相对于下钳54顺时针旋转上钳52以形成钻杆接头，油缸组件58沿切向拉动上钳52。应理解，在某些实施例中，也可使用反向运动。油缸组件58和钳52、54相对于彼此的旋转将在下文中更详细地说明。

请参考图4-11，在一些实施例中，油缸组件包括上油缸58a和下油缸58b。上油缸58a的一端通过上油缸安装架57a可枢转地耦合至上钳52，该上油缸安装架57a从上钳52的主体向外延伸。上油缸58a的另一端可枢转地耦合至布置在下油缸安装架57b上的杆销61b，该杆销61b从下钳54的主体向外延伸。杆销61b从下油缸安装架57b的上表面延伸。类似地，下油缸58b的一端通过油缸安装架57b可枢转地耦合至下钳54。下油缸58b的另一端可枢转地耦合至布置在上油缸安装架57a上的杆销61a。杆销61a从上油缸安装架57a的下表面延伸。在一些实施例中，油缸58a、58b在一个平面内基本上彼此平行，并且在另一个平面内可在它们之间限定一个锐角。上油缸58a和下油缸58b之中的每一个都具有伸出位置(在图10和图11中示出)、部分缩回位置(在如图6和图7中示出)、以及完全缩回位置(在图4、5、8和9中示出)。在操作时，上油缸58a和下油缸58b同步伸出和缩回，使得这些油缸总是相对于彼此处于相同的位置。

在一些实施例中，扳钳100可包括安装在其上的至少一个钳扭矩传感器(未示出)，该钳扭矩传感器用于测量轴向应力。该钳扭矩传感器可安装在杆销61a、61b与上下油缸安装架57a、57b之间。在一些实施例中，在每个杆销61a、61b处设有载荷测量元件，以测量上钳52与下钳54之间的真实扭矩。

请参考图4-23，其中示出了夹钳组件50的一个实施例。在一些实施例中，如图4、12、13、18和19所最佳地示出，上钳52包括第一上半钳56a和第二上半钳56b。第一半钳56a具有主体部分，该主体部分在其中限定有基本上为半圆形的弧。在一些实施例中，上油缸安装架57a从靠近弧形的第一端的第一上半钳56a向外延伸。第二半钳56b也具有主体部分，该主体部分在其中限定有基本上为半圆形的弧，该弧基本上是第一半钳56a中的弧的镜像。第一上半钳56a和第二上半钳56b铰接在一起，并在它们各自的第一端通过销59可枢转地连接。在一些实施例中，第一上半钳56a的弧形的第二端包括锁定销组件68a，第二上半钳56b的弧形的第二端包括具有孔的销槽70a，该孔用于接收从其中穿过的锁定销组件68a的销。

类似地，下钳54包括第一下半钳66a和第二下半钳66b。第一半钳66a具有主体部分，该主体部分在其中限定有基本上为半圆形的弧。第二半钳66b也具有主体部分，该主体部分在其中限定有基本上为半圆形的弧，该弧基本上是第一下半钳66a中的弧的镜像。在一些实施例中，下油缸安装架57b从靠近弧的第一端的第二下半钳66b向外延伸。第一下半钳66a和第二下半钳66b铰接在一起，并在它们各自的第一端通过销69可枢转地连接。在一些实施例中，第二下半钳66b的弧形的第二端包括锁定销组件68b，第一下半钳66a的弧形的第二端包括具有孔的销槽70b，该孔用于接收穿过其中的锁定销组件68b的销。在一些实施例中，销69可延伸到托架6的安装枢轴22中(在图23中示出)。

当然，上述的第一和第二上半钳和下半钳56a、56b、66a、66b之中的每一个的第二端的构造仅仅是一种可能的构造。在其他实施例中，锁定销组件和销槽的布置可能是可相反的。在替代实施例中，上半钳和下半钳的端部可包括可连接的公端和/或母端。本领域技术人员能理解，可能有许多不同的配置，只要第一和第二上半钳56a、56b的第二端是可连接的并且第一和第二下半钳66a、66b的第二端是可连接的。

夹钳组件50具有至少在图4、5、8和9中示出的打开位置、至少在图6和7中示出的闭合位置、以及至少在图10、11和13中示出的旋转闭合位置。在打开位置和闭合位置，第一上半钳56a的第二端与第一下半钳66a的第二端对准，而第二上半钳56b的第二端与第二下半钳66b的第二端对准。在一个示例性实施例中，在打开位置和闭合位置，第二上半钳56b的销槽70a与第一上半钳56a的锁定销组件68a对准；第二下半钳66b的锁定销组件68b与第一下半钳66a的销槽60b对准；并且上锁定销组件68a和下锁定销组件68b以及上销槽70a和下销槽70b基本上彼此对准。在旋转闭合位置，第二上半钳56b的销槽70a与第一上半钳56a的锁定销组件68a对准；第二下半钳66b的锁定销组件68b与第一下半钳66a的销槽60b对准；并且上锁定销组件68a和下锁定销组件68b以及上销槽70a和下销槽70b彼此不对准。

在打开位置，第一上半钳56a和下半钳66a的第二端与第二上半钳56b和下半钳66b的第二端分开，从而在它们之间限定钳口90。在打开位置，上油缸58a和下油缸58b处于完全缩回位置。换句话说，上油缸58a和下油缸58b完全缩回，以将夹钳组件50置于打开位置。

在闭合位置和旋转闭合位置，第一上半钳56a和下半钳66a的第二端可分别可释放地耦合至第二上半钳56b和下半钳66b的第二端。在所示的实施例中，如图15所最佳地示出，当夹钳组件50处于闭合位置时，第一上半钳56a的锁定销组件68a的销可被接收在第二上半钳56b的销槽70a中，并且第二下半钳66b的锁定销组件68b的销可被接收在第一下半钳66a的销槽70b中，从而分别锁定上钳52和下钳54。

在闭合位置和旋转闭合位置，第一和第二上半钳56a、56b的弧形成基本上为圆形的开口89a。类似地，第一下半钳66a和第二下半钳66b的弧形成基本上为圆形的开口89b。

在闭合位置，如图6和图7所示，上油缸58a和下油缸58b处于部分缩回位置。在所示的实施例中，当上半钳56a、56b的第二端与下半钳66a、66b的第二端对准时，上油缸58a和下油缸58b处于部分缩回位置。在旋转闭合位置，如图10和11所示，上油缸58a和下油缸58b处于伸出位置。在所示的实施例中，当上半钳56a、56b的第二端与下半钳66a、66b的第二端不对准时(即，当上钳52相对于下钳54旋转时)，上油缸58a和下油缸58b处于伸出位置。

在一些实施例中，如图14、18、19和22所示，第一和第二上半钳56a、56b以及第一和第二下半钳66a、66b之中的每一个均包括一个或多个钳牙油缸。上钳52和下钳54中的钳牙油缸基本上相同，因此在下文中将仅详细说明上钳52中的钳牙油缸。请参考图14，其中示出了上钳52的横截面图。在所示的实施例中，第一上半钳56a包括三个钳牙油缸74，第二上半钳56b也包括三个钳牙油缸74。但是，本领域技术人员能理解，每个半钳可包括更少或更多的钳牙油缸。钳牙油缸74操作以伸出或缩回钳牙卡盘中的钳牙，这将在下文中详细说明。

在一些实施例中，如图22所示，每个钳牙油缸74包括钳牙油缸壳体82、油缸活塞96、油缸杆86、以及其中限定有孔口85的盖84。盖84安装在钳牙油缸壳体82的开口端，油缸活塞96和油缸杆86设置在油缸壳体82内，油缸杆86的一端穿过孔口85。活塞96操作以使油缸杆86通过孔口85轴向伸出或缩回。

每个钳牙油缸74设置在半钳56a、56b、66a、66b的第一端和第二端之间的主体部分中。钳牙油缸74可在半钳上均匀地间隔开，使得相邻钳牙油缸之间的空间在上钳52和下钳54之中的每一个内基本相同。在所示的实施例中，如图18所示，第一和第二上半钳56a、56b之中的每一个的主体部分包括上钳板37和下钳板38，每个板具有限定在其中的至少一个凹部。壳体82接收在上板和下板的相应凹部中，并固定在上板37与下板38之间，盖84向内朝向圆形开口89a的中心，从而油缸杆86可在圆形开口89a中径向向内伸出。在一些实施例中，上板37和下板38可使用螺栓固定，或者使用贯穿上钳52和下钳54的隔圈组件固定在一起。这允许在需要或必要时从夹钳组件50的外周移除和/或更换它们之间的钳牙74。此外，上板37和下板38配置为容纳钳牙卡盘，这将在下文中更详细地说明。

在一些实施例中，如图18和19所最佳地示出，上钳52和下钳54包括一个或多个扭矩反作用杆17，每个扭矩反作用杆在上板37与下板38之间延伸。

请参考图12、14、16、17、22和23，每个半钳56a、56b、66a、66b均配置为可移除地接收钳牙卡盘79。如图14、16、17和22中所最佳地示出，每个钳牙卡盘79包括一个或多个钳牙80和两个或多个钳牙导向件76。每个钳牙80包括可移除地安装在设置在其前面上的凹槽中的钳牙座78上的铅牙垫180。每个钳牙80设置在两个钳牙导向件76之间。在所示的实施例中，钳牙卡盘79具有三个钳牙80和四个钳牙导向件76，这些钳牙和钳牙导向件交替地布置并固定在两个弧形卡盘板34之间。钳牙卡盘79还可包括锁定夹33，该锁定夹33用于接合油缸杆86，以使钳牙80与油缸杆86一起移动。钳牙卡盘79配置为允许钳牙80朝着由卡盘板34的内弧限定的半圆形空间的中心径向向内移动。

在一些实施例中，上卡盘板34和下卡盘板34具有一对或多对对位的扭矩反作用凹窝28，每对扭矩反作用凹窝28用于配合地接收上钳52或下钳54的相应扭矩反作用杆17。扭矩反作用凹窝28和扭矩反作用杆17用于在扳钳100操作时便于扭矩从卡盘79向上钳52和下钳54传递，这将在下文中更详细地说明。更具体地说，在操作中，扭矩从钳牙80通过钳牙导向件76传递到卡盘板34中，然后传递到上钳52和下钳54中。

请参考图12、16和18，通过将扭矩反作用凹窝28与扭矩反作用杆17对准，可将每个钳牙卡盘79沿轴向插入半钳中，使得每个杆17被接收在一对凹窝28中，从而限制钳牙卡盘与半钳之间的任何相对旋转运动。在插入后，可通过至少一个闩锁型机构将钳牙卡盘79进一步可移除地固定至半钳，该闩锁型机构例如包括紧固件25和相应的锚件32。在所示的实施例中，当半钳的至少一个紧固件25被接收在其对应的钳牙卡盘的锚件32中时，以及当扭矩反作用杆17被配合地接收在对应的扭矩反作用凹窝28中时，钳牙卡盘79被固定至半钳。当紧固件25被从锚件32移除时，通过从对应的扭矩反作用凹窝28中滑动移除扭矩反作用杆17，可沿轴向从半钳移除钳牙卡盘79。本领域技术人员能理解，将钳牙卡盘79固定至半钳的其他方式也是可能的。

当钳牙卡盘79被接收在半钳56a、56b、66a、66b之中的每一个之内时，并且当夹钳组件50处于闭合位置和旋转闭合位置时，上钳52和下钳54中的钳牙卡盘在其间限定开放的圆柱形空间或“钻杆开口”88。钻杆开口88的直径取决于钳牙卡盘79的内径。优选在夹钳组件50中使用的所有四个钳牙卡盘79在任何时候均具有相似的尺寸，从而它们均具有大约相同的内径，以实现开口88的同心封闭。因此，可通过分别选择具有较大或较小内径的钳牙卡盘79来增大或减小钻杆开口88的直径。

如图14和22中所最佳地示出，钳牙油缸74与钳牙80的间距配置为使得当钳牙卡盘79被接收在半钳中时，每个钳牙80与其中一个钳牙油缸74的油缸杆86对准。在一些实施例中，如本领域技术人员所知的，为了使钳牙80向内朝着钻杆开口88伸出，向钳牙油缸壳体82供应加压液压流体，以移动活塞96，使得活塞96推动油缸杆86穿过孔口85，从而推动钳牙80在钳牙导向件76之间穿过。如本领域技术人员所知的，为了将钳牙80从钻杆开口88缩回，向钳牙油缸壳体82供应液压流体，以迫使活塞96返回并通过孔口85撤回油缸杆86，从而使钳牙80缩回到钳牙座76之间的空间中。钳牙油缸74配置为使钳牙80延伸到开口88中一定距离范围内(也称为“夹紧范围”)，例如从钳牙座78的深度的0％至大约40％。优选当钳牙80延伸到开口88中时，钳牙座78的至少一部分保持在相邻的钳牙导向件76之间。

由于钻杆开口88的直径取决于钳牙卡盘79的内径和/或由于钳牙卡盘中的钳牙80具有夹紧范围，因此可使用同一尺寸和配置的钳牙卡盘79来应对并操控一系列不同尺寸的钻杆，而无需修改扳钳100的任何部件。在一些实施例中，钻杆开口88的直径范围可从大约3英寸至大约11又3/4英寸，以适应大约2又³/₈英寸至大约11英寸的钻杆尺寸。此外，由于钳牙卡盘79是可移除的，因此可将一组钳牙卡盘替换为具有不同内径和/或夹紧范围的另一组钳牙卡盘，以适应较小或较大直径的钻杆。在一些实施例中，钳牙卡盘79的内半径和/或夹紧范围根据钻机的尺寸来选择，以便消除或最大限度地减少切换钳牙卡盘的需求。

在一些实施例中，向每个钳52、54中的所有钳牙油缸壳体82同时供应液压流体，使得对应的钳牙80能全部同步伸出。在另一些实施例中，通过体积流量分配器向所有钳牙卡盘壳体82和每个钳52、54同时供应液压流体，以帮助平衡输送至每个钳牙卡盘74的油量。请参考图15和图23，其中示出了锁定销组件68a、68b的一个实施例。在一些实施例中，钳52、54的每个锁定销组件68a、68b包括锁定销72a、72b。锁定销72a、72b可以是液压操作的销，用于分别与钳52、54的销槽70a、70b的开口71a、71b接合。锁定销72a操作以延伸到第二上半钳56b的销槽70a的开口71a中，从而有效地将第一和第二上半钳56a、56b锁定在一起。类似地，锁定销72b操作以延伸到第一下半钳66a的销槽70b的开口71b中，从而有效地将第一和第二下半钳66a、66b锁定在一起。为了解锁第一和第二半钳夹，可使锁定销72a、72b分别从开口71a、71b缩回，使得第一和第二半钳夹能彼此分开。在一些实施例中，可在锁定销72a、72b的端部设置传感器，以测量锁定销72a、72b向销槽70a、70b中的闭合。

为了打开夹钳组件50的钳口90以将钻杆接收在钻杆开口88中(例如如图4和图5所示)，可将锁定销72a、72b从开口71a、71b移除，并使上油缸58a和下油缸58b完全缩回，以使上半钳56a、56b的第二端和下半钳66a、66b的第二端朝彼此远离的方向移动，从而可朝钻杆移动夹钳组件50并将其接收在钻杆开口88中。当钻杆被接收在钻杆开口88中时，上油缸58a和下油缸58b被移动至部分缩回位置以闭合钳口90(例如如图6和图7所示)，从而将夹钳组件置于闭合位置。在钳口90闭合时，如上所述操作锁定销72a、72b，以分别将第一和第二上半钳56a、56b以及第一和第二下半钳66a、66b锁定在一起，以使上钳52和下钳54中的钳压卡盘79周向围绕钻杆开口88中的钻杆48的部分，例如如图22所示。

请参考图21，上钳52通过中心轴承64耦合至下钳54。在一些实施例中，中心轴承64包括上部39a、下部39b、侧部40、耐磨部41、预载弹簧垫圈42和预载螺栓43。下部39b通过上钳板37固定到下钳54上。上部39a和侧部40通过下钳板38固定到上钳52上。中心轴承64配置为具有精确的运动，因为弹簧垫圈42产生预载以提供足够的间隙来吸收扳钳操作期间上下半钳56a、56b、66a、66b中的任何异常。上部39a、下部39b和侧部40的组合允许较小的径向移动，并且还允许中心轴承64自动对准。

请参考图4-7、10和11，其中示出了夹钳组件50的操作。在图4和图5中，通过使上油缸58a和下油缸58b完全缩回来打开夹钳组件50的钳口90，以便将钻柱(未示出)置于钻杆开口88中。在一些实施例中，可通过定位系统2在钻柱周围定位开口夹钳组件50。在图6和图7中，通过使上油缸58a和下油缸58b同时伸出至部分缩回位置来使上钳52和下钳54的锁定销组件68a、68b分别与销槽70a、70b重叠，从而闭合钳口90。然后通过激活锁定销72a、72b来锁定上钳52和下钳54。实际上，夹钳组件50相对于钻柱的放置是将下钳54置于下钻杆段的套管端周围，将上钳62置于上钻杆段的销端周围，以形成(或连接)或分开(或断开)构成钻柱的钻杆段之间的接头。

为了形成接头，在将上钳和下钳锁定之后，使用预定的最小液压使下钳54中的钳牙80在其对应的钳牙油缸74的作用下基本同步地伸出，以与钻杆接触。然后使上油缸58a和下油缸58b伸出至伸出位置，从而相对于下钳54逆时针旋转上钳52，并将夹钳组件置于旋转闭合位置，如图10和11所最佳地示出。在油缸58a、58b伸出时，使用预定的最小液压使上钳52中的钳牙80在其对应的钳牙油缸74的作用下基本同步地伸出，以与钻杆接触。然后使油缸58a、58b缩回至部分缩回位置或完全缩回位置(这可能取决于由杆销61a、61b中的载荷测量元件测量的扭矩)，从而使上钳52相对于下钳54顺时针旋转，这也使由上钳52接合的钻杆段相对于由下钳54夹紧的另一个钻杆段沿顺时针方向旋转。然后使上钳52和下钳54中的钳牙80缩回，以从钻杆48脱离。

为了断开接头，在将上钳和下钳锁定之后，使用预定的最小液压使下钳54中的钳牙80在其对应的钳牙油缸74的作用下基本同步地伸出，以与钻杆接触。在使用预定的最小液压使下钳54中的钳牙80伸出的同时或者在其伸出之后，使上钳52中的钳牙80在其对应的钳牙油缸74的作用下基本同步地伸出，以与钻杆接触。在钻杆被上钳52和下钳54夹紧时，使上油缸58a和下油缸58b伸出至伸出位置(如图10和11所最佳地示出)，从而使上钳52相对于下钳54逆时针旋转，这也使由上钳52接合的钻杆段相对于被下钳54夹紧的另一个钻杆段逆时针旋转。然后使上钳52中的钳牙80缩回以从钻杆48脱离，并使油缸58a、58b缩回至部分缩回位置，如图6和图7所示。然后使下钳54中的钳牙80缩回以从钻杆48脱离。

夹钳组件50中的钳牙80的伸出的同步有助于使上钳52中的钻杆段与下钳54中的另一个钻杆段保持对准并同心。

在形成或断开接头之后，通过解除锁定销72a、7b来解锁上钳52和下钳54。在解锁后，可通过完全缩回油缸58a、58b来打开夹钳组件50(如图4和图5所示)，从而打开钳口90，可通过该钳口90将钻杆从夹钳组件50的钻杆开口88移除。

在每个钳中结合六个钳牙74(如示出的实施例的所示)可使夹紧力围绕钻柱48的外周均匀分布，并防止钻柱48在被钳牙74夹紧时被挤压或挤扁，导致钻柱变得不圆。此外，通过将夹紧力分布在钻柱外周周围的多个位置，可在每个钳牙油缸74上使用较小的力以防止钳牙80在钻柱上造成深划痕，若使用较少的钳牙油缸夹紧钻柱(例如在仅使用两个或三个钳牙油缸的类似装置的情况下)，则可能发生这种情况。

托架6的安装枢轴22配置为在钳牙80与钻杆之间的界面内发生滑动的情况下或者在下钳54被不恰当地用作旋转器组件的备用件时(即，夹钳组件50被用作备用扳钳，使得所有扭矩被传递至定位系统2并传递至钻台中)允许下钳54旋转。

在一些实施例中，扳钳100可包括安装在其上的至少一个托架扭矩传感器，用于测量旋转应力。该托架扭矩传感器可安装在定位系统2与夹钳组件50之间。在图23所示的示例性实施例中，托架扭矩传感器36可在安装枢轴22处安装在夹钳组件50与托架6之间。

在一些实施例中，扳钳100包括用于控制扳钳100的液压油缸和电机的操作的控制系统。该控制系统可包括一个或多个部件，这些部件选自由本领域技术人员所公知的液压流体缸、液压流体泵、液压流体罐、液压流体冷却器、液压流体过滤器、液压流体软管、液压流体控制阀和可编程逻辑控制器组成的组。

在操作中，通过将托架扭矩传感器在枢轴22处置于从夹钳组件50向下延伸的销之一与托架6之间，可监测夹钳组件50与托架6之间的旋转力。众所周知的是，当在利用顶部驱动装置旋转钻柱的钻机上使用自动地钳时，钻探操作人员知道使用顶部驱动装置而不是使用自动地钳在钻杆的各段之间形成接头。顶部驱动装置可能产生很大扭矩，该扭矩远远超过将钻杆的各段适当地扭转在一起所需的扭矩。使用顶部驱动装置形成接头可能会对仍在用于夹紧钻杆的下段的自动地钳施加过大的旋转力，并导致地钳损坏。通过在枢轴22处将夹钳组件50安装到托架6上的过程中结合托架扭矩传感器，该托架扭矩传感器可用于感测何时向扳钳100施加过大的旋转力。当向下钳54施加过大的旋转力时，托架扭矩传感器可向控制系统发送信号，而该控制系统又可使夹钳组件50释放由其夹持的任何钻杆。在扳钳100与顶部驱动的钻机结合使用并且其操作人员简单地使用扳钳100的下钳54夹紧钻柱并使用顶部驱动装置形成与钻柱的接头的情况下，托架扭矩传感器可用于感测顶部驱动装置施加至较长的钳54上的旋转力何时超过预定阈值，并向控制系统发送信号以使下钳54释放钻柱，从而防止扳钳100的损坏。在另一些实施例中，控制系统还可停止顶部驱动装置和在托架扭矩传感器向控制系统发送信号之前运行的任何其他系统的操作。

在其他操作情况下(例如在断开操作期间)，已知的是，当上钳试图断开钻柱中的相邻钻杆段的接头时，钻柱可能在下钳中滑动。在这种情况发生时，下钳54会产生过大的旋转力，这可能损坏托架6和定位系统2。通过在枢轴22处将托架扭矩传感器连接在下钳54与托架6之间，这样的旋转力可被托架扭矩传感器检测到。当旋转力超过预定阈值时，托架扭矩传感器可向控制系统发送信号，而控制系统又使夹钳组件50释放钻柱。在另一些实施例中，控制系统也停止顶部驱动装置和在托架扭矩传感器向控制系统发送信号之前运行的任何其他系统的操作。使用单个油缸组件来(i)打开和闭合夹钳组件和(ii)相对于下钳旋转上钳为本公开的夹钳组件50提供了比相同占地面积的先前地钳更多的旋转接合和扭矩能力。此外，夹钳组件50的上、下油缸58a、58b的同步运动允许扳钳100提供比先前的扳钳更大的扭矩和更大的每次夹紧旋转量。在一个实施例中，扳钳100可提供大约150,000磅的最大断开扭矩、大约130,000磅的最大形成扭矩、大约2500psi(差压)的标称压力、以及大约3000psi的最大压力。

本公开的夹钳组件50在每个钳中仅具有两个半钳，而在先前装置的每个钳中至少有四个钳段。夹钳组件50的构造简单性可降低制造和/或维护成本。

相应地，提供了一种用于形成或断开钻杆接头的扳钳。该扳钳包括夹钳组件，该夹钳组件包括：上钳，该上钳包括第一上半钳和第二上半钳，第一和第二上半钳在其第一端可枢转地连接，并且在其第二端可释放地连接；下钳，该下钳包括第一下半钳和第二下半钳，第一和第二下半钳在其第一端可枢转地连接，并且在其第二端可释放地连接；中心轴承，该中心轴承可操作地耦合上钳和下钳，以允许上钳相对于下钳旋转；以及用于在上钳的切向位置推动或拉动上钳的油缸组件；并且其中所述油缸组件配置为在打开位置与闭合位置之间移动夹钳组件，在打开位置，第一和第二上半钳的第二端与第一和第二下半钳的第二端分开，以在它们之间限定钳口，在闭合位置，第一和第二上半钳的第二端与第一和第二下半钳的第二端接合，以在第一上下半钳和第二上下半钳之间限定开口；其中所述油缸组件可完全缩回以将夹钳组件置于打开位置；并且其中所述油缸组件可部分地缩回以将夹钳组件置于闭合位置。

在一个实施例中，所述夹钳组件还包括第一旋转闭合位置，在该位置，第一和第二上半钳的第二端牢固地连接；第一和第二下半钳的第二端牢固地连接；并且油缸组件伸出，以相对于下钳逆时针旋转上钳。

在一个实施例中，所述夹钳组件还包括第二旋转闭合位置，在该位置，第一和第二上半钳的第二端牢固地连接；第一和第二下半钳的第二端牢固地连接；并且油缸组件可部分地缩回或完全缩回，以相对于下钳逆时针旋转上钳。

在一个实施例中，所述扳钳还包括能够被可移除地接收在第一和第二上半钳以及第一和第二下半钳之中的每一个内的钳牙卡盘，该钳牙卡盘包括一个或多个钳牙，并且所述一个或多个钳牙可基本上朝向开口的中心径向向内伸出并且可从开口缩回；并且其中当夹钳组件处于闭合位置时，在钳牙卡盘之间限定钻杆开口。

在一个实施例中，第一和第二上半钳以及第一和第二下半钳之中的每一个均包括一个或多个钳牙油缸，该钳牙油缸配置为使一个或多个钳牙伸出和缩回。

在一个实施例中，第一上半钳内的一个或多个钳牙油缸和第二上半钳内的一个或多个钳牙油缸配置为使第一上半钳内的一个或多个钳牙和第二上半钳内的一个或多个钳牙同步伸出；并且第一下半钳内的一个或多个钳牙油缸和第二下半钳内的一个或多个钳牙油缸配置为使第一下半钳内的一个或多个钳牙和第二下半钳内的一个或多个钳牙同步伸出。

在一个实施例中，所述油缸组件包括上油缸和下油缸，上油缸在其第一端可枢转地耦合至上钳，在其第二端可枢转地耦合至下钳，而下油缸在其第一端可枢转地耦合至下钳，在其第二端可枢转地耦合至上钳。

在一个实施例中，上油缸和下油缸可基本上同步地伸出或缩回。

在一个实施例中，上油缸的第一端在第一上半钳的第一端处或附近可枢转地耦合至上钳；并且上油缸的第二端在第二下半钳的第一端或其附近可枢转地耦合至下钳。

在一个实施例中，下油缸的第一端在第二下半钳的第一端处或附近可枢转地耦合至下钳；并且下油缸的第二端在第一上半钳的第一端处或附近可枢转地耦合至上钳。

在一个实施例中，上油缸通过第一杆销耦合至下钳，而下油缸通过第二杆销耦合至上钳。

在一个实施例中，所述扳钳还包括设置在第一杆销和/或第二杆销处的扭矩传感器。

在一个实施例中，第一和第二上半钳的第二端和/或第一和第二上半钳的第二端可通过锁定销牢固连接。

在一个实施例中，所述扳钳还包括可旋转的定位系统，并且其中所述夹钳组件固定到并支撑在定位系统上，该定位系统可安装到钻台上。

在一个实施例中，所述扳钳还包括设置在夹钳组件与定位系统之间的扭矩传感器。

在一个实施例中，所述扳钳还包括用于控制夹钳组件的操作的控制系统。

在一个实施例中，所述扳钳还包括托架，并且其中所述下钳被固定到并支撑在托架上。

还提供了一种操作扳钳的夹钳组件的方法。该方法包括：通过缩回耦合至夹钳组件的油缸组件来打开夹钳组件，以提供接近其中限定的钻杆开口的通路，所述夹钳组件包括上钳和下钳以及可操作地耦合上钳和下钳以允许它们之间的相对旋转运动的中心轴承，并且所述油缸组件耦合至上钳和下钳；通过伸出油缸组件从而在上钳的切向位置推动上钳来闭合夹钳组件；并且锁定上钳和下钳。

在一个实施例中，所述方法还包括在上钳和下钳的每一半中插入并固定钳牙卡盘，其中所述钳牙卡盘包括一个或多个钳牙，并且每个半钳具有用于可操作地接合所述一个或多个钳牙的一个或多个钳牙油缸。

在一个实施例中，所述油缸组件包括上油缸和下油缸，上油缸在其第一端可枢转地耦合至上钳，在其第二端可枢转地耦合至下钳，而下油缸在其第一端可枢转地耦合至下钳，在其第二端可枢转地耦合至上钳。

在一个实施例中，上油缸和下油缸可基本上同步地伸出或缩回。

在一个实施例中，所述方法还包括：在打开夹钳组件之后和闭合夹钳组件之前，在钻杆开口中接收钻杆接头。

在一个实施例中，所述方法还包括：在锁定上钳和下钳之后，通过使用下钳中的一个或多个钳牙使下钳中的一个或多个钳牙径向向内伸出来牢固地接合钻杆接头。

在一个实施例中，所述方法还包括：使油缸组件伸出以相对于下钳逆时针旋转上钳；使用上钳中的一个或多个钳牙油缸使上钳中的一个或多个钳牙径向向内伸出，以牢固地接合钻杆接头；缩回油缸组件以相对于下钳顺时针旋转上钳；缩回上钳和下钳中的一个或多个钳牙；解锁上钳和下钳；并且重新打开夹钳组件，以从夹钳组件上移除钻杆接头。

在一个实施例中，所述方法还包括：使用上钳中的一个或多个钳牙油缸使上钳中的一个或多个钳牙径向向内伸出，以牢固地接合钻杆接头；使油缸组件伸出以相对于下钳逆时针旋转上钳；缩回上钳中的一个或多个钳牙；缩回油缸组件以相对于下钳顺时针旋转上钳；缩回下钳中的一个或多个钳牙；解锁上钳和下钳；并且重新打开夹钳组件，以从夹钳组件上移除钻杆接头。

虽然在上文中示出并说明了一些实施例，但是本领域技术人员应理解，可对这些实施例进行各种变化和修改，而不会改变或脱离其范围、意图或功能。在上文的说明书中使用的术语和表述在此用作说明性术语，而不是限制性的，并且在使用这些术语和表述时并非意图排除所示出和说明的特征或其部分的等同形式。

Claims (16)

1.一种用于形成或断开钻杆接头的扳钳，包括：

夹钳组件，所述夹钳组件包括：

上钳，包括第一上半钳和第二上半钳，所述第一上半钳和所述第二上半钳在它们的第一端可枢转地连接，并且在它们的第二端能够可释放地连接；

下钳，包括第一下半钳和第二下半钳，所述第一下半钳和所述第二下半钳在它们的第一端可枢转地连接，并且在它们的第二端能够可释放地连接；

中心轴承，可操作地耦合所述上钳和所述下钳以允许所述上钳相对于所述下钳旋转；和

油缸组件，用于在所述上钳的切向位置处推动或拉动所述上钳，所述油缸组件包括上油缸和下油缸；并且

其中所述上油缸和所述下油缸均配置为在打开位置与闭合位置之间移动所述夹钳组件，在所述打开位置，所述第一上半钳的和所述第二上半钳的第二端与所述第一下半钳的和所述第二下半钳的第二端分开以在它们之间限定钳口，在所述闭合位置，所述第一上半钳的和所述第二上半钳的第二端与所述第一下半钳的和所述第二下半钳的第二端接合；

其中所述上油缸和所述下油缸能够在第一方向上移动以将所述夹钳组件置于所述打开位置；并且

其中所述上油缸和所述下油缸能够在第二方向上移动以将所述夹钳组件置于所述闭合位置，并且当所述第一上半钳的和所述第二上半钳的第二端接合时，所述上油缸和所述下油缸能够在所述第二方向上进一步移动以相对于所述下钳在第一旋转方向上旋转所述上钳。

2.根据权利要求1所述的扳钳，其中所述夹钳组件还包括第一旋转闭合位置，在该位置处，所述第一上半钳的和所述第二上半钳的第二端牢固地连接；所述第一下半钳的和所述第二下半钳的第二端牢固地连接；并且所述上油缸和所述下油缸能够伸出以相对于所述下钳逆时针旋转所述上钳。

3.根据权利要求1或2所述的扳钳，其中所述夹钳组件还包括第二旋转闭合位置，在该位置处，所述第一上半钳的和所述第二上半钳的第二端牢固地连接；所述第一下半钳的和所述第二下半钳的第二端牢固地连接；并且所述上油缸和所述下油缸能够部分地缩回或完全缩回以相对于所述下钳顺时针旋转所述上钳。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的扳钳，还包括能够被可移除地接纳在所述第一上半钳和所述第二上半钳以及所述第一下半钳和所述第二下半钳之中的每一个内的钳牙卡盘，所述钳牙卡盘包括一个或多个钳牙，并且所述一个或多个钳牙能够基本上朝向开口的中心径向向内伸出并且能够从所述开口缩回；并且其中当所述夹钳组件处于所述闭合位置时，在所述钳牙卡盘之间限定钻杆开口。

5.根据权利要求4所述的扳钳，其中所述第一上半钳和所述第二上半钳以及所述第一下半钳和所述第二下半钳之中的每一个均包括一个或多个钳牙油缸，所述钳牙油缸配置为使所述一个或多个钳牙伸出和缩回。

6.根据权利要求5所述的扳钳，其中所述第一上半钳内的一个或多个钳牙油缸和所述第二上半钳内的一个或多个钳牙油缸配置为使所述第一上半钳内的一个或多个钳牙和所述第二上半钳内的一个或多个钳牙同步伸出；并且所述第一下半钳内的一个或多个钳牙油缸和所述第二下半钳内的一个或多个钳牙油缸配置为使所述第一下半钳内的一个或多个钳牙和所述第二下半钳内的一个或多个钳牙同步伸出。

7.根据权利要求6所述的扳钳，其中所述上油缸和所述下油缸能够基本上同步地伸出或缩回。

8.根据权利要求6或7所述的扳钳，其中所述上油缸的第一端在所述第一上半钳的第一端处或附近可枢转地耦合至所述上钳；并且所述上油缸的第二端在所述第二下半钳的第一端处或附近可枢转地耦合至所述下钳。

9.根据权利要求6至8中任一项所述的扳钳，其中所述下油缸的第一端在所述第二下半钳的第一端处或附近可枢转地耦合至所述下钳；并且所述下油缸的第二端在所述第一上半钳的第一端处或附近可枢转地耦合至所述上钳。

10.根据权利要求6所述的扳钳，其中所述上油缸通过第一杆销耦合至所述下钳，并且所述下油缸通过第二杆销耦合至所述上钳。

11.根据权利要求10所述的扳钳，还包括设置在所述第一杆销和/或所述第二杆销处的扭矩传感器。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的扳钳，其中所述第一上半钳的和所述第二上半钳的第二端和/或所述第一上半钳的和所述第二上半钳的第二端能够通过锁定销牢固地连接。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的扳钳，还包括可旋转的定位系统，并且其中所述夹钳组件固定到并支撑在所述定位系统上，所述定位系统能够安装到钻台上。

14.根据权利要求13所述的扳钳，还包括设置在所述夹钳组件与所述定位系统之间的扭矩传感器。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的扳钳，还包括用于控制所述夹钳组件的操作的控制系统。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的扳钳，还包括托架，并且其中所述下钳被固定到并支撑在所述托架上。

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