CN1287590A - 用于可旋转驱动的钻杆的驱动头,特别用于钻井泵驱动 - Google Patents
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Abstract
在箱体(12)内,有两个用于钻杆(10)的彼此隔开的通孔(24,26),一个可旋转驱动的钻套(30)设置在箱体内,钻套包围钻杆(10)的一段并且通过一个旋转驱动系统被驱动。钻杆(10)通过接合器(40)和钻套(30)相连。一个用于控制在钻杆(10)中储存的扭转能量释放的液力反向制动系统(60,70),通过节流阀(90)在运转时驱动液流。为了了解,在钻杆(10)中是否储存了能量,它可以表述为一个危险系数,一个压力感应装置(102,124,126)和节流阀(90)相连,如果液体压力超过一个事先设定的极限值时,压力感应装置产生监视信号。
Description
本发明涉及如权利要求1的前序部分所述的驱动头。
在一个长度的数值大大高于其直径的杆内，例如通常应用于钻井杆就是这种情况，每个由钻杆来传递转矩的负载都是如此，即，钻杆弹性扭转并且将弹性变形能储存在扭转中，如果转矩负载消失，此能量能够突然释放。此变形能，也可以表述为扭转能量，它取决于传递的转矩和钻杆的长度。对于前述类型的驱动头，转矩，例如由电机通过4∶1速比的减速机，传递到套管上并且从那里通过可能超过一千米长的钻杆继续传递到和钻杆下端相连的泵转子处。对于带有最大允许转矩的钻杆上的一个负载，钻杆由套管到下端的扭转圈数可以达到100或更多。如果电机正常关机，或者由于损坏意外停机，则必须考虑到，在钻杆中储存的扭转能量不会以冲击方式释放。因此要采取必要的预防措施，即，属于此种类型的驱动头配有一个在运转时时刻待机的，形式为制动器，例如液压制动器的反向运转制动装置。
对于一个已经公开的上述类型的驱动头(DE 196 16 578 C1)，反向制动装置有一个带有泵和节流阀的液压循环系统。泵有一个转子，转子通过一个方向闭锁装置仅在反向运转时以传递转矩的方式和套管相连，钻杆在正常运转时则由此套管驱动。
对于另一个已公开的此种类型的驱动头(DE 196 28 950 A1)作为反向制动装置带有一个转子叶轮和一个定子叶轮的液力制动器，转子叶轮和定子叶轮彼此间构成一个圆环形工作空间，此空间在运转时总是由液体充满。转子叶轮至少间接地和钻杆驱动机保持持久的驱动连接。转子和定子叶轮组成的叶片组相对于在这样的两个叶片组之间的隔断面产生倾斜，即在叶片方向上，对于由驱动机驱动的钻杆，转子叶轮基本上自由旋转，与此相反，在来自驱动机的力的传递出现中断时，在钻井杆上出现回复力矩的情况下，在转子叶轮和定子叶轮之间产生一个制动力矩。
另一个已公开的用于可旋转驱动的钻井杆的驱动头(GB 2 299 849A)作为反向制动装置同样有一个带有一个转子叶轮和一个定子叶轮的液力制动器；此外，转子叶轮通过一个机械方向闭锁装置与一个环绕抱紧钻杆的套管以这样的方式相连，即转子叶轮仅在反向运转时被驱动。
为了更快地制动带有较高动能的物体，众所周知，粘性制动器(DE39 09 231 A1)也是适合的；此种制动器虽然很清楚易懂，到目前为止，用作可旋转驱动钻杆的方向制动，特别是钻井杆，还不被推荐。
所有的液力制动共同的是，它们的制动效果或多或少地受温度的影响。对于应用液力制动器作为钻井杆的反向制动装置，会出现问题，因为钻井杆的驱动头常常在极高或极低温下使用并且在一些昼夜温差极大的地区使用。此外，通常应用于液力制动器的液体受温度的影响，可能会导致如下后果，例如适用于常温或高温的液体在低温时会粘滞；反向制动器没有能力使在钻井杆中储存的扭转能量持续释放，则不能保证在驱动头处无危险地工作。
根据未事先公开的申请DE 197 48 907，对于一个属于此类的驱动头，反向制动装置的定子通过一个锁紧装置在旋转时被阻止在箱体上。锁紧装置仅在钻井杆基本上释放光扭转能量时才打开。因此要进行安全性检查，扭转能量是否基本上释放。此项检查必须人工完成。
发明的目的同样在于，这样改进一个此种类型的、特别是驱动适用于钻井泵的、用于可旋转驱动的钻杆的驱动头，它有一个反向制动装置，使得可以无危险地确定，扭转能量是否基本上释放掉。
此任务根据本发明通过权利要求1描述的特征实现。
符合发明的与节流阀相连通的液体压力的感应装置，可以得到由液力反向制动装置在液体中产生的剩余压力值。此剩余压力取决于在钻杆中储存的扭转能量并且因此可以估计出由驱动头引起的潜在危险。如果压力低于预定的一个极限值，则由此可以得出，扭转能量几乎完全释放并且不会产生危险。监视信号例如可以由监视人员用目视或触觉感知到。
通过权利要求2所述的布置方式，可以得到特别简单的驱动头。
通过在权利要求3中所述的本发明的设计方案，可以实现，在钻杆中储存的扭转能量几乎完全释放之后，驱动头再次处于基本状态。例如当处于特别低的温度时，粘滞的液体可能首先会堵住节流阀，于是直到环境温度升高时，才可能实现储存在钻杆中的扭转能量的受控释放。在随后实现的钻杆卸荷后，根据本发明，监视信号关闭，则驱动头位于其基本位置并且能够再次自动启动。
符合权利要求4的结构形式，能够实现特别耐用和可靠的压力感知。
根据权利要求5的进一步阐述，在液流中存留的剩余压力可以通过挡块的取下完全释放。为此，符合权利要求6的结构形式特别有利，即，在柱塞前挡住的液流被直接导入一个液体管道中。
根据权利要求7所述的符合本发明的装置结构特别紧凑。
根据权利要求8，可以保证在监视信号和旋转驱动间的强制耦联，因此只要在钻杆中还储存有过高的扭转能量时，就避免旋转驱动的自动再次启动。
下面借助示意图中的细节描述本发明的一个实施例。
图示为：
图1是以垂直轴向端面显示的一个本发明的驱动头；
图2是图1中Ⅱ部分的局部放大图。
在图1中显示的驱动头用于旋转驱动一个垂直的钻杆10，钻杆由地面出发，向井孔内延伸并且在它的下端终点连接有一个在图中未显示的泵转子，例如一个偏心螺杆泵的螺旋型转子。箱体12围成一个传动装置腔14，一个基本上水平的中间壁16，中间壁将传动装置腔14和一个位于它下面的密封腔18隔开，箱体还围成一个闭锁和制动腔20，它同样位于传动腔14下面并且与在侧面邻近它设置的密封腔18通过一个垂直的中间壁22隔开。在箱体中垂直地上下分别设置了一个下通孔24和一个上通孔26，钻杆10穿过此两通孔下降和上升。传动装置腔14和闭锁制动腔20通过一个油孔28彼此常通并且基本上由传动润滑油充满。密封腔18保持有一种阻尼液体，它的液面可通过一个未示出的观察装置，例如一个油标或一个传感器来监视。
穿过上面的通孔26，从上面开始，杆套30垂直向下延伸进传动装置腔14并且继续穿过水平的中间壁16进入密封腔18。杆套30在中间壁16内借助一个位于下面的径向轴承32，并且直接在它上面借助一个轴向轴承34而被支承，并且进一步，在上面的箱体12的通孔26内，借助一个上面的径向轴承36被支承。在箱体12的上部，杆套30通过普通结构形式的接合器40，以传递转矩的方式与钻杆10相连。接合器40可松开，以便起升或下降钻杆10。杆套30的下端部分被一个罐状的嵌入部件42包围，此部件穿过下面的通孔24装入箱体12并且用螺栓固定在箱体上面并与箱体密封。嵌入部件42通过一个由它包围的下面的滑动密封环44与钻杆30保持密封。由此处向上一段距离，设置有一个上面的滑动密封环46，它使钻套30和水平的中间壁16之间保持密封。
在与钻套30平行一段距离的位置，设置有一个齿轮轴48作为传动装置50的一个组成部分，通过此传动装置，杆套30以及钻杆10，由一个设置在箱体12外面的、未在图中显示的原动机，例如电机驱动。齿轮轴48在箱体12内利用一个下面的轴承52和一个上面的轴承54支承，并且在此两轴承之间是一个固定在轴上面的或者，如图中显示的，与其为一体形式的主动齿轮56，此主动齿轮与齿轮38保持常啮合。齿轮轴48有一个轴颈58，它穿出下部轴承52向下延伸并承载方向闭锁装置60。
两个在轴颈58上彼此有一段轴向距离的轴承62属于方向闭锁装置60，在它们之间设置有一个与轴颈58连在一起转动的内轴套64。内轴套64在离它一段径向距离的位置，被外轴套66包围，外轴套支承在两个轴承62上。两个轴套64和66与齿轮轴48同轴并且限定了一个环形空间，此空间含有取决于旋转方向的夹紧转子68。此种结构的方向闭锁装置60在齿轮轴48的工作运转方向上可自由旋转，然而当齿轮轴在反方向被驱动时，闭锁装置闭锁并带动油泵70。
泵70有一个泵轴72，它用法兰连接在外轴套66上并且带动泵转子74。泵转子74与泵轴72例如通过一个花键连在一起旋转，并且由泵定子76包围。在泵转子74内有多个，例如六个径向油缸78以同样的角度间隔周向均布，同时运行，每个油缸都含有一个柱塞80。每个柱塞80由一个弹簧82在径向向外压紧并且通过一个滑动体84支承在一个属于泵定子76的、环形-椭圆曲面的运转轨道面86上，则柱塞80在泵转子74每转一整圈时，实现一个往复运动。与泵转子74相对，设置有一个与其相邻设置，在轴向上有弹性地压紧在它上面的控制体88，控制体88在泵定子76上面用来防止旋转。
在控制体88外侧径向上，在泵定子76内设置有一个节流阀90，它属于一个由泵70供油的液压循环系统。一个注入管道92也属于此循环系统，它由闭锁和制动腔20开始，穿过泵定子76和控制体88通向油缸78以及流出管道94，流出管道由油缸78开始，穿过控制体88和泵定子76，通向节流阀90。通过节流阀90，由泵70泵出的液体再次流入闭锁和制动腔20。油孔28实现了传动装置腔14和闭锁与制动腔20之间油一直在交换。因此，由节流阀产生的热量自行发散到全部的液体，液体在所示的例子中装在传动装置腔14内的一个相当大的部分并且润滑传动装置50。
方向闭锁装置60和泵70从下面开始，穿过一个由盖96封闭的开口装入箱体12中。同样在箱体12的下表面用法兰连接了一个和钻杆同轴的转接器98，它支承整个驱动头并防止它旋转。
在图2中显示了在图1中用Ⅱ标识的局部。穿过节流阀90，在运转时由泵70泵出的液体，从流出管道94进入闭锁和制动腔20。节流阀90由市场上常见的节流阀构成，它以液体密封方式拧入柱塞102内的螺纹孔100内。柱塞102有一个轴向的孔104，它将流出管道94与节流阀90液体连通。在孔104内的液流阻力比在节流阀90内的液流阻力小得多。
柱塞102可轴向移动地设置在泵定子76内的台阶孔106内。台阶孔106有第一阶108和第二阶110；柱塞102有一个直径非常小的凸缘112，它在图2中显示的位置为台阶孔106内，直抵第二阶110的后端。凸缘112的直径基本上与台阶孔106在第二阶110后的直径相同；因此柱塞102以此凸缘与泵定子76构成一个对液体密封的密封配合114。
在凸缘112上，推上一个弹簧116，它以其末端支承在柱塞102上并且以另一端靠在支承圆片118上。弹簧116优选为碟形弹簧组。支承圆片118在图2中显示的位置靠在台阶孔106的第一阶108上，其中弹簧116处于一个预张紧状态。一个在凸缘112的周向设置的安全环120避免了弹簧116或者支承圆片118在柱塞102未装入的状态从此处可能丢失。安全环120没有碰上台阶孔106的第二阶110，则柱塞102在轴向上能够一直推至密封配合114。在第一阶108和第二阶110之间，垂直于台阶孔106的轴线，在泵转子76内有一个导管122，它将台阶孔106与闭锁和制动腔20液体连通。
在其与凸缘112轴向相对的一侧，柱塞102靠在一个中间块124上，中间块通过数个弹簧元件126在轴向被预压紧。弹簧元件126支承在一个阻挡块128上，挡块128借助一个法兰130固定在箱体12上。弹簧元件126在中间块124上的压紧力，在图2中显示的位置比弹簧116压紧柱塞102的压紧力大。柱塞102因此通过中间块124由弹簧元件126在显示的位置被固定。
中间块124在节流阀90处包围着市场上常见的节流阀体并且有一个横向的导管138，通过此导管，由节流阀90流出的液体能够注入闭锁和制动腔20。横向导管138赋予液体的流动阻力比节流阀小得多。中间块124在径向导入阻挡块128内的孔140内并且允许轴向移动。另外，中间块124在其周向有凸缘142，当弹簧元件126在孔140内被一起压紧时，此凸缘通过将中间块紧靠在阻挡块128上限制中间块124的轴向运动。
阻挡块128穿过法兰130并且用螺栓拧紧在法兰上。法兰130又用螺栓拧紧在箱体12上。箱体12，法兰130和阻挡块128之间的接合位置，通过密封件144，146，148被液体密封。阻挡块128在轴向被孔150贯穿，在孔150内以轴向移动方式设置了一个销钉152。销钉152同样利用密封件154被液体密封。销钉152利用其在图2中显示的左侧末端靠紧在中间块124上并且在其右端通过一个开关158的开关触头156，在图示位置在弹簧162的调节下而被压紧。开关158固定在盖160上，盖用螺栓拧紧在箱体12上并且可以取三个开关位置。盖160确保阻挡块128以及法兰130与外界隔绝，除非盖160去除。
在图2中显示的位置，开关158位于开关位置2上。在此位置柱塞102在密封配合114上与泵定子76保持密封。弹簧元件126将柱塞102压紧在这个位置上。
符合发明的压力传感装置在其静止状态位于上述的和图2中显示的位置。在无干扰的制动工作状态下，泵70将液体泵入流出管道94，液体继续通过导管104，节流阀90和横向导管138流入闭锁和制动腔20。液体流在节流阀90处受阻，则泵70实现了所希望的作为液力反向制动的功能。在节流阀90处市场上常见的节流阀头的选择，要使它达到相应驱动头所要求的制动功率。
如果在节流阀90之前出现液体的阻塞，例如由于节流阀90发生阻塞，则在流出管道94内产生阻塞压力，此压力通过柱塞102和中间块124作用在弹簧元件126上。弹簧元件126被压在一起并且销钉152通过中间块124如在图2中所示向右被推动。销钉152推动开关触头156到达开关位置3。在由开关位置2转换到开关位置3时，驱动头的旋转驱动被关闭，使驱动头自动再次运转被避免。
若流出管道94内的阻塞压力再次降低，例如可能的情况是当液体的粘性在高温时升高，弹簧元件126向着弹簧116，在图2中显示为向左方向再次推动中间块124和柱塞102。压力感应装置再次处于静止状态。在由静止状态转换至接通状态3的动作期间，柱塞102的行程由在中间块124上的凸缘142限定。在柱塞102的凸缘112和泵定子76间的密封配合114在整个动作过程中保持接触。液体不可能从节流阀90中流出。
若压力感应装置保持在开关位置3，因为节流阀90例如由于一个不可疏通的阻塞而被堵住，则在流出管道94内保持的阻塞压力可以由人工卸压。为此，首先从箱体12上取下带有开关158的盖160。开关触头156此时由弹簧162压在开关位置1上。在开关位置1，驱动装置的旋转驱动同样被关闭。这样可以确保，系统在接下来的工作过程中不会自行启动。紧接着从箱体12上取下阻挡块128或法兰130。通过此种方法将弹簧元件126卸荷并且弹簧116推动柱塞102以图2所示的向右方向移动。此行程的结果为，密封配合114打开并且在流出管道94内阻塞液体通过导管122继续流回闭锁和制动腔20。在流出管道94内的剩余压力全部释放并且钻杆因此而卸载后，带有市场上常见的节流阀90的节流阀头的柱塞102，弹簧116，支承圆片118以及安全环120作为一个部件从台阶孔106取下并且例如被清洗。在全部压力感应装置依次安装并且带有开关158的盖160固定在箱体12上以后，驱动头才重新作好运转准备。
Claims (8)
1．用于一个可旋转驱动钻杆(10)，尤其是用于驱动钻井泵的驱动头，带有
-一个箱体(12)，带有用于钻杆(10)的通孔(24，26)，
-一个旋转驱动系统，
-一个可旋转驱动的杆套(30)，其包围钻杆(10)的一段用轴承支承在箱体(12)内，
-一个接合器(40)，将钻杆(10)与杆套(30)相连，和
-一个液力反向运转制动装置(60，70)，用于控制存储在杆(10)中的转动能量的释放，此装置在运转时产生通过节流阀(90)的液流，
其特征在于，节流阀(90)与一个压力感应装置(102，124，126)相连，当液体压力超出事先调定的临界值时，压力感应装置给出监视信号。
2．如权利要求1所述的驱动头，其特征在于，压力感应装置(102，124，126)在液流方向上置于节流阀(90)之前。
3．如权利要求2所述的驱动头，其特征在于，只要节流阀(90)之前的压力超过一个事先调定的临界值，监视信号即产生。
4．如权利要求2或3所述的驱动头，其特征在于，压力感应装置(102，124，126)包括一个柱塞(102)，柱塞在孔(106)中以密封的方式可移动地被导向，并且通过一个弹簧元件(126)以弹性压紧方式顶住液体压力。
5．如权利要求4所述的驱动头，其特征在于，弹簧元件(126)在背离柱塞(102)的一侧，通过一个可取下的挡块(128)固定。
6．如权利要求5所述的驱动头，其特征在于，一个导管(122)通入孔(106)中，当限制弹簧元件(126)的挡块(128)被取下时，此导管用来释放柱塞(102)。
7．如权利要求4至6之一所述的驱动头，其特征在于，导管(104)基本上在柱塞运动方向上纵贯柱塞(102)并且节流阀(90)置于导管(104)内部。
8．如权利要求1至7之一所述的驱动头，其特征在于，监视信号是一个中断旋转驱动的开关信号。
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|---|---|---|---|
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |