CN1304723C - 用于水平钻孔中的夹具设备及夹持钻孔元件的方法 - Google Patents

Abstract

一种在钻机上用来将钻管拧在一起，以形成钻杆组的夹具设备。该夹具设备还在钻机上用来将钻杆组中拧在一起的钻管脱开。该夹具设备具有剪形部件，打开时可容纳各种不同尺寸的管径，闭合时则在等距位置围绕管径接触钻管。

Description

用于水平钻孔中的夹具设备及夹持钻孔元件的方法

技术领域

本发明大体上涉及水平地下钻机。更具体地说，本发明涉及一种与带螺纹的钻管一起使用的夹具设备。

背景技术

现有各种供水平钻机使用的夹具设备，包括具有两个相对夹爪半部的夹爪。这些夹爪设置成夹在钻管上以使该钻管与另一根钻管螺纹啮合或松脱。这些夹爪通过提供啮合或夹紧力的液压传动装置或液压缸夹在钻管上。

在传统的夹爪设计中，在钻管和夹爪之间没有相对运动的情况下施加在所夹着的钻管上的最大扭矩直接与有液压缸所施加的力成正比。作用在钻管上的扭矩在两根钻管之间的螺纹连接处提供扭矩支持能力。钻管越大则需要越大的扭矩来实现足够的扭矩支持能力。与传统虎钳牙结构配合使用的钻管其外径通常限制在1.5-3.5英寸的范围内。

使用更大的钻管和钻孔工具的钻机可以应用在工业中。例如，一些钻管其外径可以达到大约8英寸。所以需要这样一种设计，它能提供更大的啮合力以在较大直径钻管之间螺纹连接处实现足够的扭矩保持能力。

装有用在垂直钻机上的闩门装置的传统设计已经用来在更大直径的钻管上提供足够的啮合力。但是这些设计特定用于垂直钻井机，其中在闩门夹具装置附近具有足够的空间。在地面与地面支架之间空间有限的水平钻机上需要使用一种适应大直径钻管的夹具设备。

发明内容

本发明披露了一种用在水平钻机上的夹具设备。在一个实施方案中，该夹具设备包括至少一个具有剪形部件的夹具机构。在另一个实施方案中，夹具设备可以包括两个夹具机构，每个都具有剪形部件。

在该夹具机构的优选实施方案中，剪形部件是联接装置的组成部件，该联接装置在四个位置接触被夹紧的元件。

本发明的另一个方面涉及一种可定位的夹具设备。在优选的实施方案中，该夹具设备能够沿着机架组件的导轨纵向移动。在具有两个夹具机构的实施方案中，第二夹具机构可以另外沿着导轨相对于第一夹具机构纵向平移。

附图说明

图1为根据本发明的原理用在水平定向钻机上的机架组件的前透视图；

图2为图1的机架组件的侧视图；

图3为示出装配在图1机架组件上的夹具设备的前透视图，表示以间隔关系设置的夹具组件；

图3A为图3中所示安装托架的前透视图；

图4为沿着图3直线4-4剖开的夹具设备的剖视图；

图5为图3中所示夹具设备的前透视图，表示成闭合关系设置的夹具组件；

图6为沿着图5直线6-6剖开的夹具设备的剖视图；

图7为安装在图1所示导轨上的夹具设备的前视图；

图8为图3夹具设备的旋转夹具组件的前透视图；

图8A为图8所示的旋转夹具构架的侧透视图；

图9为图8的旋转夹具组件的端视图；

图10为图8的旋转夹具组件的顶视图；

图11为沿着图10直线11-11剖开的旋转夹具组件的剖视图，表示处于非旋转位置；

图11A为沿着图10直线11-11剖开的旋转夹具组件的剖视图，表示处于旋转位置；

图12为图3夹具设备的固定夹具组件的前透视图；

图13为图12的固定夹具组件的端视图；

图14为图12的固定夹具组件和纵向定位器组件的顶视图；

图15为沿着图14直线15-15剖开的纵向定位器组件的剖视图；

图16为图3夹具设备的夹具机构的前透视图；

图17为图16的夹具机构的顶视图；

图18为图16的夹具机构的端视图；

图19A为沿着图17直线19-19剖开的夹具机构的剖视图，表示处于打开位置的夹具机构；

图19B为沿着图17直线19-19剖开的夹具机构的剖视图，表示处于关闭位置的夹具机构；

图20为用在图8旋转夹具组件的装配中旋转定位器的等距视图；

图21为图20的旋转定位器的端视图；

图22为用在图8旋转夹具组件的装配中弓形突起托架的等距视图；

图23为图20的旋转定位器的底部透视图；

图24为根据本发明原理的夹具机构可选实施方案的剖视图。

具体实施方式

现在参照各个附图对本发明的各个示例性方面进行说明，在这些附图中相同的元件具有相同的标号。

I.夹具设备在水平钻孔中的总体操作

本发明针对一种用在水平钻机上的夹具设备。水平钻机通常包括旋转驱动机构、纵向驱动机构、夹具设备、地面支撑装置以及钻管储运设备。钻孔过程涉及将几段带螺纹的钻管拧在一起，从而形成从钻机延伸穿过钻孔并且终止在钻头组件处的钻柱。钻柱将旋转力矩和纵向止推力从驱动机构传送到钻头组件。

开始钻孔时，钻头组件位于水平钻机地面支架附近并连接钻柱。钻柱最初包括第一钻管，该钻管连接在旋转驱动机构和纵向驱动机构上。旋转驱动机构和纵向驱动机构通常位于与钻孔位置相对的端部处。因此钻孔的第一步在于将钻头组件安装在第一钻管上。

钻头组件其直径通常大于钻管。常规的设计要求通过手动扳紧来将钻头组件连接在第一钻管上。最好把钻头组件插入夹具设备中来将钻头组件连接在第一钻管上，以帮助进行钻孔的准备。根据本发明原理的夹具设备在张开尺度或适合配置中具有这样的通用性，从而使得钻头组件能够插入并夹到夹具设备中，下面将详细描述。

一旦将钻头组件连接在第一钻管上，则钻柱(钻头组件和第一钻管)旋转并且被推进地面。在钻柱前进时，从储/运设备中取出第二钻管并且将它设置成与钻柱对准。通常储/运设备包括存放箱，其中所存放的钻管纵轴与钻柱平行。一旦定位，将第二钻管拧到钻柱上。重复该过程以延伸钻孔长度。

钻柱受到高扭矩负载。在定向控制的用途中，钻柱还受到相当大的弯曲负载。钻管之间螺纹接头的正确配合对于钻柱的性能是至关重要的。为了正确地“装配”螺纹接头，必须将相当大的扭矩负载施加在钻管的外径上。

当钻孔达到所要求的长度时，通常要改变钻头组件；或者由于各种原因，从钻孔中取出钻柱。在后面的情况中，例如，固定长度的各段钻管顺序从钻孔中拉出，松开再送回存放箱中。钻柱的拆卸涉及螺纹联接或接头的“脱开”。使螺纹联接脱开所需要的脱开扭矩通常类似或大于最初装配螺纹接头所需要的扭矩。

传统设计的夹具结构包括下夹具、上夹具和传动装置。传动装置是钻机的一部分，它通常沿着轨道纵向推进，并且具有外螺纹端或称为公螺纹端。在装配操作中，传动装置使钻柱沿纵轴前进直到传动装置到达轨道的端部。在那个位置处，下夹具将钻杆组固定在静止位置。传动装置反转使与钻柱的箱形端(或者内螺纹区域)松开同时沿着轨道纵向回动。手动或用杆式装卸机来将新的钻管设置在装载区内。传动装置改变转动方向，并且开始重新沿着轨道朝着新钻管纵向前进。传动装置的公螺纹端啮合新钻管的箱形端(即内螺纹端)。在传动装置继续纵向前进时，新的钻管的公螺纹端啮合被夹紧的钻柱的箱形端并且重复所述过程。

由于在水平钻孔中使用的工具品种繁多，所以需要使该夹具设备与工具的各种形状和尺寸相适应变得更加重要。例如，一些用途是将与最终钻孔直径相同的相对较短的管段插进一部分钻孔中以使土壤稳定。该管段通常称为滑动衬套。因为滑动衬套的直径大于钻柱的直径，所以该滑动衬套通常难以或不可能装配在传统设计的夹具设备中。

关于水平钻孔的另一种想法涉及钻机和夹具设备相对于地面的整体布置。将钻机这样设置要使夹具设备尽可能靠近钻孔的入口处这对于提供最大的钻柱支撑是重要的。因此，夹具的开口直径和整体外壳必须最佳适应具有大直径的滑动衬套的安装，确定的尺寸还必须考虑到能提供钻柱支撑的位置。根据本发明原理的夹具设备具有这样一种特征，其中该设计将整体设备组件的横断面尺寸缩到最低程度，而使开口直径达到最大，下面将详细描述。

一般来说，如本发明所述的水平钻机包括：具有地面啮合装置、轨道、发动机和液压传动装置的主底盘组件；操作台；及主机架。水平钻机的主底盘组件通常包括具有某些类型的杆装载和搬运装置或管存放箱的机架组件。这些装置从基本的传送机构例如各种类型的起重机或吊具到特别设计用于操纵特种钻杆的高度专业化的机械装置。

参照图1和2，示出机架组件10(表示没有管存放箱)。机架组件10安装在水平钻机的底盘组件(未示出)上。该机架组件10包括夹具设备100。该夹具设备100根据所披露的原理可以应用在使用夹紧装置的各种机械上。

图2为机架组件10的侧视图，并且示出操纵钻杆、筒或管36的部件。该机架组件10包括前对中组件20、夹具设备100及与转动齿轮箱40连接的主轴30。转动齿轮箱40装到装有推力发动机60的发动机架50上。推力发动机60旋转驱动与齿条70啮合的小齿轮62。所形成的齿条和小齿轮驱动装置65沿着机架组件10的导轨90前后推动发动机架50。该发动机架50在其中纵向推动主轴30和钻柱80，与此同时旋转齿轮箱40使钻柱80转动。在可选方案中，齿条和小齿轮驱动装置65可以用汽缸和链条机构或直缸机构来代替，以给钻柱80提供纵向力。

该夹具设备100还包括转动夹具组件200、固定夹具组件300、纵向定位器400以及转动夹具传动装置500。这些部件的作用是操纵钻孔过程，例如，启动和延伸钻柱，它称为进行导孔过程，而缩回钻柱，则称为拉回。

II.夹具设备的操作：启动和延伸钻柱

通常，当钻孔操作开始时，钻柱最初只由一根钻管和钻头组件构成。钻头组件通常包括各种部件，例如钻头和装有无线电发射装置的探测器壳体，该无线电发射装置在钻孔过程中定位并控制钻头组件。

再次参照图1，钻头组件(未示出)可以由前对中组件20和固定夹具组件300支撑，或它可以正好设置在前对中组件20以外。前对中组件20包括钻管对中支架22，它可以垂直调节以使钻柱80的中心线84与主轴30的轴线32对准(如图2中所示)。

单根钻管(未示出)从钻管存放位置移入钻管装载区44。在钻管装载区44中，钻管被设置在由主轴30纵向轴线所限定的轴向方位。装载区44大体上位于旋转夹具组件200的后平面202和主轴30的第一端部33之间。装载区44在发动机架50已经沿着机架导轨90向回移动致使转动齿轮箱40和主轴30完全缩回时有效地打开。在该装载位置，后夹具平面202和主轴30的第一端部33之间的距离大于钻管(未示出)的长度。

在发动机架50处于装载位置的情况下，第一钻管设置在钻管装载区44中，并且由钻管传送机构(未示出)夹持着。转动齿轮箱40使主轴30转动，而主轴30则由发动机架50纵向推进。当主轴30向前推进时，主轴30的外螺纹端或公螺纹端34啮合钻管(未示出)的内螺纹。

如果固定夹具组件300支撑着钻头组件，则钻管和主轴30纵向推进直到上述第一钻管的螺纹前端拧进钻头组件为止。转动齿轮箱40继续使第一钻管转动以将该第一钻管拧到钻头组件上。固定夹具组件300将钻头组件夹持不动。同时转动齿轮箱40控制外加扭矩大小，使钻头组件与第一钻管之间的螺纹接头正确装配起来。同时在第一钻管与主轴30之间施加相同大小的扭矩。

如果钻头组件在前对中组件20前面出来的话，则第一钻管向前推进，直到前面部分延伸进入固定夹具组件300为止。固定夹具组件300夹紧第一钻管，防止第一钻管转动，从而将正确的扭矩施加到第一钻管与主轴30之间的接头上。只要接头扭转正确，固定夹具组件300便松开第一钻管，并且第一钻管被推动穿过前对中组件20，在那里可以安装钻头组件。在这种情况下，钻头组件通常使用某些类型的手动扳手扭转。

在将钻头组件装到第一钻管之后(现称为钻柱)，通过使该钻柱纵向向前推进直到主轴与钻管之间的接头位于固定夹具300与转动夹具组件200之间的中间位置302附近来进行导孔过程。固定夹具组件300牢牢地夹住钻柱，而主轴30则反向转动，同时沿着机架导轨90向后推进，从而可将另一根钻管设置在钻管装载区44。重复进行推动旋转主轴向前，并在钻管接头之间施加适当扭矩的过程，从而有效地延伸钻柱。钻柱延伸直到地下的钻孔路径到达所要求的距离。因此夹具设备100的固定夹具组件300在进行导孔过程中的主要作用是使钻柱保持在固定位置，同时设置新的钻管并拧进钻柱。

III.夹具设备的操作：缩回钻柱

拉回过程就是通过导孔将钻柱拉回。发动机架50纵向回动，将钻柱拉回直到最后增加的钻管与钻柱剩下部分之间的第一接头位于中间位置302为止。在该位置，固定夹具组件300夹紧钻柱。转动夹具组件200在打开的未夹紧状态顺时针转动，在第一位置夹紧最后增加的钻管，再逆时针转动，脱开最后增加的钻管与钻柱之间的接头。然后打开转动夹具组件200，松开最后增加的钻管。转动齿轮箱40反向转动，而发动机架则向后移动，使最后增加的钻管与钻柱分开。一旦最后增加的钻管与钻柱分开，转动夹具组件200便将最后增加的钻管夹紧在第二位置。主轴30反向转动，脱开主轴30与最后增加的钻管之间的第二接头。一旦接头脱开和最后增加的钻管与主轴30分开，转动夹具组件200便打开，再将钻管卸下。为了继续该过程，主轴30向前移动，以与仍被固定夹具组件300夹持的钻柱配合。用适当的扭矩将该主轴拧到钻柱上。固定夹具组件300打开，再将钻柱往后拉，重复脱开过程。

因此，夹具设备100在拉回过程中的作用是脱开钻柱与最后增加的钻管之间的第一接头，在钻管与主轴之间的第二接头脱开时夹持钻管，并在重装主轴以重复脱开过程期间夹持钻柱。

IV.夹具设备的结构说明

在图3-7中示出夹具设备100。该夹具设备100的一个特征是允许夹具组件200、300彼此之间正确定位。具体地说，固定夹具组件300包括固定夹具机构305和固定夹具框架310。转动夹具组件200包括转动夹具机构205和转动夹具框架210。如图3和3A中所示，安装托架102位于四处：一对支撑固定夹具组件300，而另一对则支撑转动夹具组件200。

每个安装托架102包括侧板110。侧板110则包括上部件116和下部件118。上部件的上表面112设计成固定联接在固定夹具框架210或310上。下部件118联接底板120。底板120设计成这样，当上部件116的上表面112联接到夹具框架210或310并将底板120栓接到下部件118上时，整个组件200或300便夹在或固定到机架导轨90上。辊子114支撑在侧板110内，保持机架导轨90与侧板110之间的间隙(参见图7)。

做成平板形式的支撑板在夹具框架210、310与机架导轨90之间用作支撑件(图7)。在机架导轨90与底板120之间还设有支撑板122。支撑板122可以用支承材料例如超高分子量塑料制成。这种安装布置有助于夹具组件200和300的运动，使彼此之间沿着机架导轨90相互移动。

夹具组件200和300之间的相对运动是通过一对分离缸104(图4)来进行。相对运动的方向与导轨90平行。分离缸104联接在夹具框架210和310上。通过比较图4和6可以看出，分离缸104控制着夹具组件200和300彼此之间的位置。夹具组件可以如图6中所示那样几乎接触，或者如图4中所示那样基本上分开。这种特征使得分开距离可以有选择地控制，达到各种尺寸钻管的钻柱接头的能见距离。

在图8、9和10中更详细地示出转动夹具组件200。转动夹具组件200的转动夹具框架210包括两块端板216隔开的平行侧板212和214。两个侧板212和214均有弓形特征或狭槽218，限定转动夹具机构205的安装位置。

现参照图9和11，转动夹具框架210的侧板212和214包括耳部512和514。耳部512和514为支撑转动传动齿轮516的转动传动轴518提供支撑(图11)。耳部512和514还为转动驱动电机520和转动传动齿轮箱522提供安装面(图10)。转动驱动电机520和转动传动齿轮箱522的作用是在脱开操作期间使转动夹具机构205转动。

在图12、13、14和15中更详细地示出固定夹具组件300的固定夹具框架312。固定夹具框架310同样由被端板316分开的侧板312和314限定。侧板312和314还包括有狭槽318，这些狭缝限定了固定夹具机构305的安装位置。

转动夹具机构205和固定夹具机构305是相同的。如图16和18所示，夹具机构205、305包括阳剪形连接件130和阴剪形连接件132，它们在带有主枢销160的主枢轴联接件144处装配在一起。主枢轴联接件144由阳剪形连接件130中的通孔和贯穿阴剪形连接件132侧面的两个共轴孔限定。主枢销160穿过这些孔并由开口环162固定。可以使用各种固定部件来使销固定不动。

剪形连接件130和132还包括用于提升缸140的联接点。阴提升缸联接点164位于阴剪形连接件132上，而阳提升缸联接点166位于阳剪形连接件130上。阴提升缸联接点164由在阴剪形连接件132侧面上的两个共轴孔限定。提升缸140的末端是具有通孔的板(未示出)。销168(图19A最佳示出)穿过阴剪形连接件132的侧面，再穿过在缸板上的孔，把汽缸140固定在阴剪形连接件132上。提升缸140的对置杆端174终止在阴轭架176上。阴轭架在提升缸联接点166处装配在阳剪形连接件130的阳剪形部分131上。销170穿过轭架176和剪形部分131，从而将提升140的对置杆端174固定在阳剪形连接件130上。

阴阳剪形连接件130、132限定配置容纳钻管的开口或凹穴600。根据本发明的原理，夹具205和305的凹穴600适合容纳各种尺寸的钻管或钻头组件。例如这通过联接装置实现，即正确设置夹具机构使与特定尺寸的钻管相一致。

夹具机构的位置由剪形连接件130和132的位置限定。所有其它组件与剪形连接件130和132的位置配合工作并与其相一致。通过提升缸140与定位销或凸轮142的协同操作使剪形连接件130和132定位。具体地说，通过提升缸140的致动调节凹穴600的尺寸。夹具机构205和305有四个定位凸轮142。一对定位凸轮142位于阳剪形连接件130的对置侧面上，而另一对定位凸轮则位于阴剪形连接件132的对置侧面上。

固定夹具机构305的定位凸轮142与固定夹具框架310的定位狭槽318(图12)配合操作。这些定位凸轮142直接啮合在侧板312和314(图12)上的定位狭槽318。

转动夹具机构205的定位凸轮142啮合转动定位器190的定位机构狭槽192，如图20和21所示。转动定位器190包括一个局部外齿轮524，其转动中心大致与由转动夹具机构205的剪形连接件所限定的凹穴600中心重合。转动定位器190在转动定位器190的两侧191和193还包括有弓形狭槽194。这些弓形狭槽194与弓形突起托架196的弓形突起部198啮合，如图22所示。在图8和9中最佳示出，弓形突起托架196可操作设置得与转动夹具框架210的狭槽218一起起作用。该弓形突起托架196装进狭槽218中，并限定弓形突起部198与转动夹具框架210之间的空间关系，从而使转动夹具机构205能够进行有限的旋转运动。转动夹具机构205在该机构的每一侧包括有两个弓形突起托架196。在转动操作中，弓形突起部198限定了转动定位器190的位置，而转动定位器190则限定了定位凸轮142的位置，从而使夹具机构205定向。在夹紧操作中，夹具机构205的位置由剪形连接件130和132限定。

图17、18、19a和19b中示出夹具机构205和305的夹紧动作。图17示出横断面线19-19，沿该线观看图19a和19b。图18和19a表示打开状态的夹具机构。夹具机构205和305包括用枢轴杆150可转动联接在剪形连接件130和132传动端178上的夹紧缸138。在打开状态，夹紧缸138缩回，而提升缸140伸出。夹具机构的开度达到最大值，以插入钻管或钻头组件。

图19b表示在关闭或夹紧状态具有最小开度的夹具机构。在夹紧状态，夹紧缸138伸出而提升缸140缩回。

夹具机构205和305还包括两个联接的固定结构或夹头134，它们可转动联接在夹头枢轴联接件146处，以转动、夹紧或移动剪形连接件130和132的端部179。夹头枢轴联接件146由剪形连接件130和132上的通孔、夹头134上的对应孔以及枢轴172限定。夹头134还在夹紧缸转动安装位置148可转动联接每个夹紧缸138。每个夹具机构205和305还包括四个夹具模具或抓紧部件136。每个剪形连接件130和132上以及每个夹头134上具有一个抓紧部件。可以认为，根据本发明的原理可以使用或多或少的抓紧部件。在所述的实施方案中，抓紧部件136这样设置，例如使抓紧部件以大约90度的间隔接触钻管。

现参照图24，示出夹具机构205′、305′的可选实施方案。与夹具机构205、305相类似，该可选实施方案包括阴阳剪形连接件130′和132′，它们各有传动端178′和夹紧、转动或移动端179′。夹紧缸138′可转动地联接剪形连接件130′、132′的传动端178′。阳剪形连接件130′具有位于夹紧端179′的枢轴联接件146′。夹头134′在枢轴联接146′处可转动联接阳剪形连接件130′。夹头134′还在夹紧缸转动安装位置148′处可转动联接夹紧缸138′。夹具模具或抓紧部件136′位于每个连接件130′、132′的每个夹紧端179′附近，并且位于夹头134′上。

在夹具机构205′、305′的这个可选实施方案中，阴剪形连接件132′的夹紧端179′配有固定结构或延伸部分135。该延伸部分在夹紧缸转动安装位置148′联接与夹头类似的夹紧缸138′。该延伸部分135包括跟部137，在该处设有夹具模具或抓紧部件136′。因此，阴剪形连接件132′包括两个用来接触和固定各种尺寸钻管的夹具模具或夹紧部件136′。

不言而喻，阳剪形连接件130、130′还可配有延伸部分来代替用来接触和固定各种尺寸钻管的夹头。

在操作中，夹紧过程首先包括缩回提升缸140，把剪形连接件130和132定位在使夹具机构开度达到最大值的位置。提升缸140的缩回由顺序阀(未示出)控制，该阀在提升缸140完成缩回时检测压力峰值。可以考虑使上述第一步骤正确定序的其它方法。例如，在涉及不同尺寸的钻管应用中，可以通过监视剪形连接件相对于钻管表面的位置来控制定序。在缩回状态，位于各个剪形连接件130和132上的抓紧部件136有效地定位，以接触钻管。

在剪形连接件正确定位使每个剪形连接件的抓紧部件136与钻管接触时，夹紧缸138伸出。夹紧缸138的伸出引起夹头134绕着夹头枢轴联接件146转动。当夹头134转动时，安装在夹头134上的抓紧部件136便移动接触钻管(参见图19b)。在该夹紧状态，四个抓紧部件136隔开大约90度，牢固啮合钻管。由于剪形连接件130和132的初始定位以及夹具机构联接装置的操作，因而在钻管直径周围相隔大约90度的位置夹持钻管，而不管尺寸如何。通过在近似均匀距离间隔处接触钻管的直径，使得施加在钻管上的夹紧力相应地均匀地施加在直径周围。

在优选的实施方案中，转动和固定夹具组件200和300的提升缸140和夹紧缸138为液压操作。参照图4、6、11、11A和23，通过液压软管187输送液压流体供给夹紧缸138的液压动力。还通过液压软管185输送液压流体，供给提升缸140的液压动力。对于转动夹具组件200，在转动定位器190的局部齿轮524之间设有间隙188(图23)。图20和23所示的液压配合口186位于转动定位器190的外表面195和内表面197上，从而形成穿过转动定位器190的流体通道。液压流通管线187和185(图11和11a最佳示出)可以联接液压口186和提升缸140及夹紧138。

如图11和11A所示，柔性液压管路187联接从转动夹具框架210伸出的隔板220。液压管路187在由转动传动齿轮516的里面部分和转动传动轴518的外周边限定的空间范围内布线。液压管路187还穿过转动定位器190的间隙188布线，联接液压配合口186。当转动定位器190被致动由此导致液压口186角位移时，由于转动定位器190转动直到极限，所以液压管路187和185处于或保持在间隙188内。

除了给钻管提供足够的夹紧力外，转动夹具机构205还必须提供足够的扭矩以松开或脱开以前联接的钻管。脱开扭矩是通过图10和11所示的转动夹具传动装置组件500产生的。

转动夹具传动装置组件500包括液压马达520，它给行星齿轮箱522提供动力输入。该行星齿轮箱522给转动传动轴518提供转动动力。安装在转动传动轴518上的转动传动齿轮516与在转动定位器190上构成的局部齿轮524相啮合(图20)。局部齿轮524动作使转动夹具机构205绕着夹具机构205的凹穴600的中心转动。液压马达520使转动传动齿轮516以相对低速但是相当大的扭矩转动。转动传动齿轮516通过局部齿轮524沿着由弓形突起部198限定的弓形通道推动转动定位器190。该弓形突起部198基本上与钻管的理论中心线同心。因此用定位凸轮142与转动定位器190联接的转动夹具机构205转动起来，使在两根钻管之间的接头处提供脱开扭矩。

本发明的另一个特征涉及在必要时使夹具设备100沿着机架组件10定位而优化钻孔过程的能力。例如，优化钻孔过程需要一种适应钻管长度变化的装置。

夹具设备100包括纵向定位器组件400，该组件使夹具设备100沿着机架组件10纵向地移动。如图2、12、14和15所示，纵向定位器组件400安装在与固定夹具框架310的侧板314联接的安装板410上。液压马达412安装在安装板410上并与齿轮414联接。齿轮414与联接在机架导轨90上的齿条70啮合。这种布置使得夹具设备100能够在液压马达412的驱动下沿着机架导轨90纵向移动。为了进一步优化夹具设备的取向和定位，如上所述可以通过分开缸104使转动夹具组件200相对于固定夹具组件300纵向定位。

对于本发明原理的夹具设备100，就与钻管螺纹联接的装配和脱开有关许多益处来说，即固定夹具组件和转动夹具组件的使用，已经作了主要描述。不言而喻，夹具设备也可以由单个夹具组件构成，这有助于配合转动传动装置装配和脱开钻管。

上述说明书、实施例和数据提供了制造的完整说明以及本发明组成部分的使用。由于可以在不违反本发明的精神和范围情况下做出本发明的许多实施方案，所以本发明存在于下面所属的权利要求中。

Claims (35)

1.一种用在水平钻孔中的夹具装置，该夹具装置包括：

(a)夹具组件，该夹具组件包括：

(i)第一剪形部件；

(ii)第二剪形部件；

1)所述第一和第二剪形部件可转动地相连并限定凹穴；

2)所述第一剪形部件包括：

a)第一传动端；以及

b)第一夹紧端，所述第一夹紧端具有至少第一接触区；

3)所述第二剪形部件包括：

a)第二传动端；以及

b)第二夹紧端，所述第二夹紧端具有第二接触区；

(iii)第一夹头，它转动地联接在所述第一剪形部件上，所述第一夹头具有第三接触区。

2.如权利要求1所述的夹具装置，其特征在于：

(a)所述第二剪形部件的第二夹紧端还包括第四接触区。

3.如权利要求1所述的夹具装置，还包括：

(a)转动地联接在所述第二剪形部件上的第二夹头，所述第二夹头具有第四接触区。

4.一种用在水平钻孔中的夹具装置，该夹具装置包括：

(a)夹具组件，该夹具组件包括：

(i)第一剪形部件；

(ii)第二剪形部件；

1)所述第一和第二剪形部件可转动地相连并限定构成容纳各种尺寸钻管的凹穴；

2)所述第一和第二剪形部件各有转动端和传动端，所述第一和第二剪形部件的所述转动端分别包括第一接触区和第二接触区：

(iii)第一固定结构，它设在所述第一剪形部件的转动端附近，所述第一固定结构具有第三接触区；以及

(iv)第二固定结构，它设在所述第二剪形部件的转动端附近，所述第一固定结构具有第四接触区。

5.如权利要求4所述的夹具装置，还包括：

(a)所述第一和第二固定结构的转动相对应于所述第一和第二剪形部件的转动运动。

6.如权利要求4所述的夹具装置，其中夹具组件还包括：

(a)第一传动机构，它将第一和第二剪形部件从打开位置移动到关闭位置；以及

(b)第二传动机构，它转动地联接至：

(i)所述第一剪形部件的传动端；以及

(ii)第一固定结构；

(c)第三传动机构，它转动地联接至：

(i)所述第二剪形部件的传动端；以及

(ii)第二固定结构；

(d)其中所述第二和第三传动机构动作使第一和第二剪形部件以及相应的固定结构从第一位置转动到夹紧位置。

7.如权利要求4所述的夹具装置，其特征在于：夹具装置包括：

(a)第一夹具组件；以及

(b)第二夹具组件；

(i)所述第一夹具组件动作，以将钻管的第一部分固定在固定位置；

(ii)所述第二夹具组件动作，使钻管的第二部分相对于钻管的第一部分转动。

8.如权利要求7所述的夹具装置，还包括：

(a)与第二夹具组件操作连接的齿轮，该齿轮具有与第二夹具组件的凹穴中心接近重合的转动中心，所述齿轮动作使第二夹具组件绕着凹穴的中心转动。

9.如权利要求8所述的夹具装置，还包括：

(a)第一夹具组件和第二夹具组件彼此之间纵向移动。

10.如权利要求4所述的夹具装置，还包括：

(a)第一传动机构，它转动地与所述第一剪形部件和所述第一固定结构联接；

(b)第二传动机构，它转动地与所述第二剪形部件和所述第二固定结构联接；并且

(c)第一和第二传动机构、第一和第二剪形部件以及第一和第二固定结构协同操作以形成一种联接装置，该联接装置适应各种不同尺寸的钻管，同时围绕每根定尺寸钻管以近似均匀的距离间隔保持所述接触区。

11.如权利要求10所述的夹具装置，其特征在于：均匀隔开的接触区以大约90度的间隔接触各种不同尺寸的钻管。

12.如权利要求11所述的夹具装置，其特征在于：该夹具装置还包括位于各个第一、第二、第三和第四接触区的抓紧部件。

13.一种用在水平钻孔中的夹具装置，该夹具装置包括：

(a)第一夹具组件，它具有构成将钻管的第一部分固定在固定位置的第一凹穴；

(b)第二夹具组件，它具有构成将钻管的第二部分固定的第二凹穴；

(c)与第二夹具组件联接的局部齿轮，该局部齿轮构成使第二夹具组件绕第二凹穴的中心转动，以使钻管的第二部分相对于钻管的第一部分转动。

14.如权利要求13所述的夹具装置，还包括：

(a)构成与局部齿轮相联接的小齿轮，该小齿轮操作以在至少第一方向上驱动局部齿轮。

15.如权利要求13所述的夹具装置，其特征在于：

(a)所述局部齿轮构造成限制第二夹具组件的转动。

16.一种夹紧钻孔元件的方法，该方法包括以下步骤：

(a)提供一种夹具组件，该夹具组件包括：

(i)剪形连接件，它具有：

(A)第一剪形部件，它可相对于第二剪形部件转动运动，所述第一和第二剪形部件限定凹穴；以及

(B)第一夹紧部件，它可相对于所述第一剪形部件转动运动；

(b)将钻孔元件置于凹穴中；

(c)转动第一和第二剪形部件以关闭钻孔元件周围的凹穴；

(d)相对于第一剪形部件转动第一夹紧部件以将钻管夹在凹穴内。

17.如权利要求16所述的方法，还包括：

(a)调节剪形连接件的凹穴以适应选定尺寸的钻孔元件。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于：

(a)所述调节凹穴的步骤包括驱动转动地连接在所述第一和第二剪形部件上的定位缸。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于：转动第一夹紧部件的步骤包括：

(a)驱动第一夹紧机构，该第一夹紧机构转动地联接在所述第一剪形部件和所述第一夹紧部件上。

20.如权利要求16所述的方法，还包括：

(a)在近似均匀距离间隔处接触钻孔元件以施加均匀分布的夹紧力。

21.一种夹具装置，包括：

(a)四个转动部件，四个转动部件的每一个包括一个夹具模具，四个转动部件的每一个配置成绕一个唯一转动中心转动；

(b)可转动地连接到四个转动部件中的两个部件上的第一夹紧缸、和可转动地连接到四个转动部件的其它两个部件上的第二夹紧缸，第一和第二夹紧缸配置成彼此相向地推动转动部件的每一个。

22.如权利要求21所述的夹具装置，其特征在于：四个转动部件限定夹具装置的中央凹穴。

23.如权利要求22所述的夹具装置，其特征在于：两个夹紧缸向夹具装置的中央凹穴推动转动件的每一个。

24.如权利要求22所述的夹具装置，其特征在于：两个夹紧缸配置成使四个转动部件运动，以打开和关闭中央凹穴。

25.如权利要求24所述的夹具装置，其特征在于：当关闭中央凹穴时，四个转动部件的夹具模具以约90度的间隔隔开。

26.如权利要求21所述的夹具装置，其特征在于：四个转动部件中的两个是剪形部件，而四个转动部件的其它两个是夹头。

27.如权利要求26所述的夹具装置，其特征在于：夹头的每一个可转动地连接到剪形部件之一上。

28.如权利要求21所述的夹具装置，其特征在于：四个转动部件中的每一个可转动地连接到其它四个转动部件之一上。

29.如权利要求21所述的夹具装置，还包括定位缸，该定位缸互连在四个转动部件中的两个之间，以调节这两个转动部件的相对位置。

30.如权利要求29所述的夹具装置，其特征在于：调节两个转动部件的相对位置改变由四个转动部件限定的中央凹穴的尺寸。

31.一种夹持钻孔元件的方法，该方法包括以下步骤：

(a)提供可转动连接地连接到第一和第二转动部件上的第一夹紧缸、和可转动连接地连接到第三和第四转动部件上的第二夹紧缸；

(b)将钻孔元件定位在由第一、第二、第三、和第四转动部件限定的中央凹穴内；以及

(c)彼此相向地推动转动部件的每一个，以接触钻孔元件。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于：推动每一个转动部件包括驱动第一和第二夹紧缸。

33.如权利要求32所述的方法，还包括：绕唯一转动轴线转动第一、第二、第三、和第四转动部件中的每一个。

34.如权利要求31所述的方法，还包括：以均匀隔开的间隔接触钻孔元件，以施加均匀分布的夹紧力。

35.如权利要求31所述的方法，还包括：调节中央凹穴以容纳选定尺寸的钻孔元件。

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