CN112177549A - 一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置 - Google Patents

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Abstract

一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置，涉及钻井工程设备技术领域，包括悬壁支撑、左上拧卸组件、右上拧卸组件、左下拧卸组件和右下拧卸组件，左上拧卸组件、右上拧卸组件、左下拧卸组件和右下拧卸组件滑动连接在悬壁支撑上，由开合推力电机带动左上拧卸组件、右上拧卸组件、左下拧卸组件和右下拧卸组件实现夹紧或放松动作，本发明可使采用轴向深沟槽耐磨接头钻杆钻井起下时能够实现自动开合夹持钻杆接头、自平衡式连续回转拧卸钻杆和自动解卡归位等动作，是一种不需要大夹持力，只通过回转扭力就可以实现拧卸钻杆的自动化装置。

Description

一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置
技术领域
本发明属于钻井工程设备技术领域，特别涉及一种适用于钻探和钻井等技术领域的自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置。
背景技术
目前，钻杆是钻井技术的必备井下工具之一，其作用十分重要。钻杆结构主要由公母接头和本体组成，接头的作用是把钻杆连接起来形成一根长长的钻柱，通常情况接头的外径要比本体的外径大。接头是拧卸工具夹持的主要部位，然而，拧卸工具的夹具需要通过巨大的夹持力与接头外表面产生足够的摩擦力才能拧紧或卸开钻杆间的接头，此时的钳牙已经深深地嵌入到接头外表面并在扭力的作用下在接头外表面形成周向长长的划痕，这些划痕产生的毛刺或凸起在井内与井壁接触很容易磨损，起下钻几次后钻杆接头的外径很快缩小到被淘汰或换接头的尺寸，这种平滑——>毛刺或凸起——>回转磨损的方式是钻杆接头磨损的主要方式。同时，当钻杆进入易缩径和泥包地层时，很容易发生井径与钻杆接头接近情况，导致憋泵或卡钻等井下事故发生。另外，井壁与接头间的泥浆循环通道较小，增加了泥浆循环的沿程损失，导致循环泵压增大。为此，申请人提出了一种具有轴向深沟槽耐磨接头的钻井用钻杆。
然而，与这种具有轴向深沟槽耐磨接头的钻井用钻杆配套的拧卸设备目前还没有，而用现有的拧卸工具无法达到顺利拧卸目的。因此，发明一种利用装置内力能够连续拧卸具有轴向深沟槽耐磨接头钻杆的装置，对于轴向深沟槽耐磨接头钻杆的应用和推广十分必要，对于高效、节能钻进意义重大。
发明内容
本发明的目的是提供一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置，使采用轴向深沟槽耐磨接头钻杆钻井起下时能够实现自动开合夹持钻杆接头、自平衡式连续回转拧卸钻杆和自动解卡归位等动作，是一种不需要大夹持力，只通过回转扭力就可以实现拧卸钻杆的自动化装置。
一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置，包括悬壁支撑、左上拧卸组件、右上拧卸组件、左下拧卸组件和右下拧卸组件；
左上拧卸组件与右下拧卸组件结构相同；
左下拧卸组件和右上拧卸组件结构相同；
左后吊环和右后吊环通过销轴转动连接在悬壁支撑上，所述悬壁支撑上设有开合推力电机支撑座、上左右外支撑轴固定和下左右外支撑轴固定固定；
开合推力电机定子外壳与开合推力电机支撑座固定连接，开合推力电机转子通过开合推力电机支撑座通孔并与该通孔同轴，且开合推力电机转子与开合推力丝杠同轴固定连接，滑块与开合推力丝杠同轴螺纹连接，左上开合支撑杆首端和右上开合支撑杆首端通过销轴与滑块转动连接，左上开合支撑杆末端和右上开合支撑杆末端与左上拧卸组件和右上拧卸组件通过销轴转动连接；左下开合支撑杆首端和右下开合支撑杆首端通过销轴与滑块转动连接，左下开合支撑杆末端和右下开合支撑杆末端通过销轴与左下拧卸组件和右下拧卸组件转动连接，左上拧卸组件、右上拧卸组件和上左右外支撑轴固定通过上左右外支撑轴固定销轴单自由度固定连接；左下拧卸组件、右下拧卸组件和下左右外支撑轴固定通过下左右外支撑轴固定销轴单自由度固定连接；
左上拧卸组件与左下拧卸组件通过左前吊环连接；
右上拧卸组件与右下拧卸组件通过右前吊环连接；
左上拧卸组件、左下拧卸组件、右上拧卸组件和右下拧卸组件均通过其底部与悬壁支撑前端上下表面滑动连接；
左上拧卸组件上设有丝杠支撑孔、左上导向轴和内圆弧面，传扭电机外壳定子与左上拧卸组件固定连接，传扭电机转子贯穿左上拧卸组件延伸至左上拧卸组件内部；多个半合拧卸齿轮限位外滚轮和多个半合拧卸齿轮限位内滚轮半环形分布在左上拧卸组件内部，传扭齿轮与传扭电机转子固定连接；左半合拧卸齿轮设置有左半合拧卸齿轮外滚轮台阶、左半合拧卸齿轮外滚轮相切面、左半合拧卸齿轮内滚轮相切面、左半合拧卸齿轮内滚轮台阶和多个夹持块槽，左半合拧卸齿轮外滚轮台阶和左半合拧卸齿轮内滚轮台阶分别与半合拧卸齿轮限位外滚轮轮底面和半合拧卸齿轮限位内滚轮轮底面平行且不接触，左半合拧卸齿轮外滚轮相切面和左半合拧卸齿轮内滚轮相切面均与半合拧卸齿轮限位外滚轮侧面和半合拧卸齿轮限位内滚轮侧面接触滚动配合，左半合拧卸齿轮夹持块槽内部通过弹簧连接有夹持块，夹持块上设有上斜弧面，夹持块可沿左半合拧卸齿轮径向方向在夹持块槽内部滑动；
左上执行机构上设有左上执行机构外圆弧面、导向轴孔、左上执行机构下斜面和左上执行机构丝孔，左上执行机构通过导向轴孔与左上导向轴滑动连接，左上执行机构外圆弧面与内圆弧面接触滑动配合，电机支撑件与左上拧卸组件固定连接，执行电机外壳定子与电机支撑件固定连接，执行电机转子贯穿左上拧卸组件后与丝杠固定连接，丝杠外壁设置的螺纹丝扣配合左上执行机构丝孔，夹持块通过上斜弧面与左上执行机构下斜面接触滑动配合，当左上执行机构在丝杠作用下向下滑动时，夹持块受到左上执行机构下斜面挤压会沿左半合拧卸齿轮径向向外方向滑动；
所述左上拧卸组件中的左半合拧卸齿轮与右上拧卸组件中的右半合拧卸齿轮通过左右半合拧卸齿轮固定销轴转动连接。
本发明的有益效果：
1、本发明能够在不需要夹持力的状态下对具有轴向深沟槽耐磨接头的钻井用钻杆实施快速连续的拧卸作业，其中采用自动开合方式夹持钻杆接头、内力自平衡式持续回转扭矩作用下连续回转拧卸、自动下行促使上夹持块收缩解除上夹持块与钻头接头深沟槽的卡扣关系。
2、本发明填补了轴向深沟槽耐磨接头的钻井用钻杆连续快速高效拧卸的空白，潜在应用范围广，意义重大。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明，并不构成本发明的不当限定，在附图中：
图1是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置的总装轴测图。
图2是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置之部分零件轴测图。
图3是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置张开状态的俯视图。
图4是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置张开状态的仰视图。
图5是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置闭合状态的俯视图。
图6是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置的半合齿轮连续回转示意图。
图7是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置的限位滚轮组限位示意图。
图8是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置的上夹持块强缩机构示意图。
图9是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置的闭合拧卸状态时的右上夹持块强缩机构与上夹持块间的位置关系示意图。
图10是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置的闭合拧卸状态时的上夹持块与钻杆公接头段接头的卡槽间的位置关系示意图。
图11是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置的闭合的结束拧卸状态时的右上夹持块强缩机构与上夹持块间的位置关系示意图。
图12是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置左上拧卸组件与左下拧卸组件连接内部结构示意图。
图13是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置左半合拧卸齿轮与右半合拧卸齿轮连接示意图。
图14是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置半合拧卸齿轮限位外滚轮轴侧示意图。
图15是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置左上执行机构轴侧示意图。
图16是本发明所提出的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置弹簧与夹持块连接示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。
一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置，包括悬壁支撑1、左上拧卸组件2、右上拧卸组件3、左下拧卸组件4和右下拧卸组件5；
左上拧卸组件2与右下拧卸组件5结构相同；
左下拧卸组件4和右上拧卸组件3结构相同；
所述悬壁支撑1上设有两个通孔，左后吊环10和右后吊环11通过销轴单自由度固定连接在通孔内，所述悬壁支撑1上设有开合推力电机支撑座12、上左右外支撑轴固定13和下左右外支撑轴固定14固定；悬壁支撑1的作用是为左上拧卸组件2、右上拧卸组件3、左下拧卸组件4和右下拧卸组件5提供整体支撑；
开合推力电机15定子外壳与开合推力电机支撑座12固定连接，开合推力电机15转子通过开合推力电机支撑座12通孔并与该通孔同轴，且开合推力电机15转子与开合推力丝杠同轴固定连接，开合推力电机15转子回转时能够带动开合推力丝杠同步回转；所述开合推力电机15其作用是为左上拧卸组件2与右上拧卸组件3和左下拧卸组件4与右下拧卸组件5相对开合提供动力；
滑块17与开合推力丝杠同轴螺纹连接；左上开合支撑杆6首端、右上开合支撑杆7首端通过销轴与滑块17单自由度固定连接，左上开合支撑杆6末端和右上开合支撑杆7末端与左上拧卸组件2和右上拧卸组件3通过销轴单自由度固定连接；左下开合支撑杆8首端和右下开合支撑杆9首端通过销轴与滑块17单自由度固定连接，左下开合支撑杆8末端和右下开合支撑杆9末端通过销轴与左下拧卸组件4和右下拧卸组件5单自由度固定连接，左上拧卸组件2、右上拧卸组件3和上左右外支撑轴固定13通过上左右外支撑轴固定销轴18单自由度固定连接；左下拧卸组件4、右下拧卸组件5和下左右外支撑轴固定14通过下左右外支撑轴固定销轴19单自由度固定连接；
左上拧卸组件2与左下拧卸组件4通过左前吊环200连接；即将左上拧卸组件2与左下拧卸组件4连接为一个整体实现同步运动；
右上拧卸组件3与右下拧卸组件5通过右前吊环201连接；即将右上拧卸组件3与右下拧卸组件5连接为一个整体实现同步运动；
左上拧卸组件2、左下拧卸组件4、右上拧卸组件3和右下拧卸组件5均通过其底部与悬壁支撑1前端上下表面滑动连接；
左上拧卸组件2上设有丝杠支撑孔、左上导向轴21和内圆弧面22，传扭电机23外壳定子与左上拧卸组件2固定连接，传扭电机23转子贯穿左上拧卸组件2延伸至左上拧卸组件2内部；多个半合拧卸齿轮限位外滚轮24和多个半合拧卸齿轮限位内滚轮25半环形分布在左上拧卸组件2内部，传扭齿轮26与传扭电机23转子固定连接；左半合拧卸齿轮27设置有左半合拧卸齿轮外滚轮台阶270、左半合拧卸齿轮外滚轮相切面271、左半合拧卸齿轮内滚轮相切面272、左半合拧卸齿轮内滚轮台阶273和多个夹持块槽274，左半合拧卸齿轮外滚轮台阶270和左半合拧卸齿轮内滚轮台阶273分别与半合拧卸齿轮限位外滚轮24轮底面240和半合拧卸齿轮限位内滚轮25轮底面240平行且有适当距离，半合拧卸齿轮限位外滚轮24和半合拧卸齿轮限位内滚轮25的作用是防止左半合拧卸齿轮27脱落；左半合拧卸齿轮外滚轮相切面271和左半合拧卸齿轮内滚轮相切面272均与半合拧卸齿轮限位外滚轮24侧面241和半合拧卸齿轮限位内滚轮25侧面241接触滚动配合，左半合拧卸齿轮27夹持块槽274内部通过弹簧28连接有夹持块29，夹持块29上设有上斜弧面290，夹持块29可沿左半合拧卸齿轮27径向方向在夹持块槽274内部滑动；
左上执行机构250上设有左上执行机构外圆弧面251、导向轴孔252、左上执行机构下斜面253和左上执行机构丝孔254，左上执行机构250通过导向轴孔252与左上导向轴21滑动连接，左上执行机构外圆弧面251与内圆弧面22同心接触滑动配合，电机支撑件255与左上拧卸组件2固定连接，执行电机256外壳定子与电机支撑件255固定连接，执行电机256转子贯穿左上拧卸组件2后与丝杠257固定连接，丝杠257外壁设置的螺纹丝扣配合左上执行机构丝孔254且丝杠257下固定面与轴承内圈过盈配合，轴承外圈与丝杠支撑孔过盈配合，夹持块29通过上斜弧面290与左上执行机构下斜面253接触滑动配合，当左上执行机构250在丝杠257作用下向下滑动时，夹持块29受到左上执行机构下斜面253挤压会沿左半合拧卸齿轮27径向向外方向滑动；
所述左上拧卸组件2中的左半合拧卸齿轮27与右上拧卸组件3中的右半合拧卸齿轮37通过左右半合拧卸齿轮固定销轴20转动连接。
本发明的工作原理和过程：
夹持过程：由4根钢丝绳分别系在左前吊环200、右前吊环201、左后吊环10和右后吊环11上，将连续拧卸钻杆丝扣装置吊到一定高度，与两根钻杆的钻杆公接头段60和钻杆母接头段61连接接头部位对正，水平移动使钻杆接头从连续拧卸钻杆丝扣装置开口处进入；接着，开合推力电机15工作，通过开合推力丝杠带动滑块17向前移动，促使左上开合支撑杆6、右上开合支撑杆7、左下开合支撑杆8和右下开合支撑杆9带动左上拧卸组件2、左下拧卸组件4、右下拧卸组件5和右上拧卸组件3以下左右外支撑轴固定销轴19和上左右外支撑轴固定销轴18转动，直到完全闭合为止。
上、下夹持块与钻杆接头深沟槽扣合过程：首先，缓慢起动传扭电机23，通过传扭齿轮26带动左半合拧卸齿轮27和右半合拧卸齿轮37，左半合拧卸齿轮27和右半合拧卸齿轮37在由半合拧卸齿轮限位内滚轮25和半合拧卸齿轮限位外滚轮24形成的环形空间内缓慢旋转，其中设置在左上拧卸组件2、右上拧卸组件3中的左半合拧卸齿轮27和右半合拧卸齿轮37与设置在左下拧卸组件4和右下拧卸组件5中的左半合拧卸齿轮27和右半合拧卸齿轮37旋转方向相反，使左上拧卸组件2与右上拧卸组件3中的夹持块29和左下拧卸组件4与右下拧卸组件5中的夹持块29完全进入到钻杆公接头段60和钻杆母接头段61上设置的深沟槽内。
自平衡式连续上扣卸扣过程：上扣时，首先所有的传扭电机23都大转速工作，当上扣扭矩逐渐增大到一定值时，传扭电机23会自动切换到低转速大扭矩模式，直到扭矩达到接头的最大上扣扭矩为止；卸扣时，首先让所有的传扭电机23都大扭矩工作，当扭矩超过接头的最大卸扣(或)扭矩时，钻杆接头开始松动，卸扣扭矩逐渐减小到一定值时，传扭电机23会自动切换到大转速小扭矩模式，直到丝扣完全分离。
归位与打开过程：上扣时，当上扣扭矩逐渐增大到一定值时，设置在左下拧卸组件4和右下拧卸组件5内的左半合拧卸齿轮27、右半合拧卸齿轮37和左右半合拧卸齿轮固定销轴20开始缓慢转动，直到左右半合拧卸齿轮固定销轴20的轴线与下左右外支撑轴固定销轴19的轴线重合后停止。此时，设置在左上拧卸组件2右上拧卸组件3内的左半合拧卸齿轮27、右半合拧卸齿轮37和左右半合拧卸齿轮固定销轴20继续旋转，直到上扣步骤结束；当左右半合拧卸齿轮固定销轴20的轴线与上左右外支撑轴固定销轴18不重合时，同时起动左上拧卸组件2右上拧卸组件3上的执行电机256，通过执行电机256驱动丝杠257带动左上执行机构250向下移动，促使左上执行机构下斜面253与夹持块29上斜弧面290接触，强行挤压夹持块29至左半合拧卸齿轮27和右半合拧卸齿轮37方形夹持块槽274内，并将夹持块槽274内的弹簧28挤压收缩，此时夹持块29完全离开钻杆接头的深沟槽；然后设置在左上拧卸组件2右上拧卸组件3内的左半合拧卸齿轮27、右半合拧卸齿轮37和左右半合拧卸齿轮固定销轴20在传扭电机23作用下缓慢旋转，直到左右半合拧卸齿轮固定销轴20的轴线与上左右外支撑轴固定销轴18的轴线重合为止；然后，开合推力电机15工作，通过开合推力丝杠带动滑块17向后移动，促使左上开合支撑杆6、右上开合支撑杆7、左下开合支撑杆8和右下开合支撑杆9带动左上拧卸组件2、右上拧卸组件3、左下拧卸组件4和右下拧卸组件5以上左右外支撑轴固定销轴18和下左右外支撑轴固定销轴19转动，直到完全打开为止；最后水平移动使钻杆接头从连续拧卸钻杆丝扣装置开口处移出。

Claims (2)

1.一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置，其特征在于：包括悬壁支撑(1)、左上拧卸组件(2)、右上拧卸组件(3)、左下拧卸组件(4)和右下拧卸组件(5)；
左上拧卸组件(2)与右下拧卸组件(5)结构相同；
左下拧卸组件(4)和右上拧卸组件(3)结构相同；
左后吊环(10)和右后吊环(11)通过销轴转动连接在悬壁支撑(1)上，所述悬壁支撑(1)上设有开合推力电机支撑座(12)、上左右外支撑轴固定(13)和下左右外支撑轴固定(14)固定；
开合推力电机(15)定子外壳与开合推力电机支撑座(12)固定连接，开合推力电机(15)转子通过开合推力电机支撑座(12)通孔并与该通孔同轴，且开合推力电机(15)转子与开合推力丝杠同轴固定连接，滑块(17)与开合推力丝杠同轴螺纹连接，左上开合支撑杆(6)首端和右上开合支撑杆(7)首端通过销轴与滑块(17)转动连接，左上开合支撑杆(6)末端和右上开合支撑杆(7)末端与左上拧卸组件(2)和右上拧卸组件(3)通过销轴转动连接；左下开合支撑杆(8)首端和右下开合支撑杆(9)首端通过销轴与滑块(17)转动连接，左下开合支撑杆(8)末端和右下开合支撑杆(9)末端通过销轴与左下拧卸组件(4)和右下拧卸组件(5)转动连接，左上拧卸组件(2)、右上拧卸组件(3)和上左右外支撑轴固定(13)通过上左右外支撑轴固定销轴(18)单自由度固定连接；左下拧卸组件(4)、右下拧卸组件(5)和下左右外支撑轴固定(14)通过下左右外支撑轴固定销轴(19)单自由度固定连接；
左上拧卸组件(2)与左下拧卸组件(4)通过左前吊环(200)连接；
右上拧卸组件(3)与右下拧卸组件(5)通过右前吊环(201)连接；
左上拧卸组件(2)、左下拧卸组件(4)、右上拧卸组件(3)和右下拧卸组件(5)均通过其底部与悬壁支撑(1)前端上下表面滑动连接；
左上拧卸组件(2)上设有丝杠支撑孔、左上导向轴(21)和内圆弧面(22)，传扭电机(23)外壳定子与左上拧卸组件(2)固定连接，传扭电机(23)转子贯穿左上拧卸组件(2)延伸至左上拧卸组件(2)内部；多个半合拧卸齿轮限位外滚轮(24)和多个半合拧卸齿轮限位内滚轮(25)半环形分布在左上拧卸组件(2)内部，传扭齿轮(26)与传扭电机(23)转子固定连接；左半合拧卸齿轮(27)设置有左半合拧卸齿轮外滚轮台阶(270)、左半合拧卸齿轮外滚轮相切面(271)、左半合拧卸齿轮内滚轮相切面(272)、左半合拧卸齿轮内滚轮台阶(273)和多个夹持块槽(274)，左半合拧卸齿轮外滚轮台阶(270)和左半合拧卸齿轮内滚轮台阶(273)分别与半合拧卸齿轮限位外滚轮(24)轮底面(240)和半合拧卸齿轮限位内滚轮(25)轮底面(240)平行且不接触，左半合拧卸齿轮外滚轮相切面(271)和左半合拧卸齿轮内滚轮相切面(272)均与半合拧卸齿轮限位外滚轮(24)侧面(241)和半合拧卸齿轮限位内滚轮(25)侧面(241)接触滚动配合，左半合拧卸齿轮(27)夹持块槽(274)内部通过弹簧(28)连接有夹持块(29)，夹持块(29)上设有上斜弧面(290)，夹持块(29)可沿左半合拧卸齿轮(27)径向方向在夹持块槽(274)内部滑动；
左上执行机构(250)上设有左上执行机构外圆弧面(251)、导向轴孔(252)、左上执行机构下斜面(253)和左上执行机构丝孔(254)，左上执行机构(250)通过导向轴孔(252)与左上导向轴(21)滑动连接，左上执行机构外圆弧面(251)与内圆弧面(22)接触滑动配合，电机支撑件(255)与左上拧卸组件(2)固定连接，执行电机(256)外壳定子与电机支撑件(255)固定连接，执行电机(256)转子贯穿左上拧卸组件(2)后与丝杠(257)固定连接，丝杠(257)外壁设置的螺纹丝扣配合左上执行机构丝孔(254)，夹持块(29)通过上斜弧面(290)与左上执行机构下斜面(253)接触滑动配合，当左上执行机构(250)在丝杠(257)作用下向下滑动时，夹持块(29)受到左上执行机构下斜面(253)挤压会沿左半合拧卸齿轮(27)径向向外方向滑动；
所述左上拧卸组件(2)中的左半合拧卸齿轮(27)与右上拧卸组件(3)中的右半合拧卸齿轮(37)通过左右半合拧卸齿轮固定销轴(20)转动连接。
2.根据权利要求1所述的一种自平衡式连续拧卸钻杆丝扣装置，其特征在于：所述丝杠(257)下固定面与轴承内圈过盈配合，轴承外圈与丝杠支撑孔过盈配合。
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