模块化旋转钻机动力头 |
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申请号 | CN200980138204.9 | 申请日 | 2009-09-18 | 公开(公告)号 | CN102165134A | 公开(公告)日 | 2011-08-24 |
申请人 | 长年TM公司; | 发明人 | 克里斯托弗·克鲁斯; 斯蒂芬·威瑞德; 汉斯-约尔根·威尔; | ||||
摘要 | 一种用于旋转钻机动 力 头的模 块 化 基座 组件包括带有与至少下方驱动接头相衔接的管状 驱动轴 的驱动 法兰 组件,支承所述驱动法兰组件的 齿轮 箱,以及与所述驱动法兰组件选择性地连接的多个可互换的主动齿轮。 | ||||||
权利要求 | 1.一种用于旋转钻机动力头的模块化基座组件,包括: |
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说明书全文 | 模块化旋转钻机动力头技术领域[0001] 本发明涉及钻机动力头,尤其是旋转钻机动力头。 背景技术[0002] 钻机经常被用来在各种地层中进行钻凿作业。这种钻机一般包括安装在通常垂直设置的桅杆上的动力头(drill head)。这种设备一般包括能够使动力头沿着至少部分的桅杆而移动的机构和部件。这种动力头通常包括接纳和衔接钻杆(drill rod)或钻管上端的机构。钻杆或钻管可以是单独的杆件或管件,也可以是钻柱(drill string)的一部分,而该钻柱的另一端(可称作钎头端)包括钎头或其它部件。 [0003] 钻机动力头也可以向钻杆或钻管施加作用力并传递给钻柱。如果所施加的力是旋转作用力,动力头就可以使钻柱在钻孔内旋转。钻柱的旋转可以包括钎头的相应旋转,进而引起钎头的钻凿动作。动力头所施加的作用力还可以包括一种轴向力,其可传给钻柱以助于向地层的穿凿。 [0004] 在许多情况下,对于不同的场合需要使用各种专用的动力头。这样,当施工条件发生变化时,如果使用不同的动力头而不是整个的不同钻机的话,就会增加操作成本和/或停工时间。 发明内容[0007] 一种模块化旋转钻机动力头系统,可以包括模块化基座组件其包括带有与至少下方驱动接头相衔接的管状驱动轴的驱动法兰组件以及支承驱动法兰组件的齿轮箱、多个驱动马达组件、以及多个主动齿轮其与驱动马达组件相连接并可互换地连接到齿轮箱。 [0008] 一种钻进系统,可以包括滑橇组件其带有模块化旋转钻机动力头系的,其中所述模块化旋转钻机动力头系统包括:模块化基座组件,其又包括带有与至少下方驱动接头相衔接的管状驱动轴的驱动法兰组件;支承驱动法兰组件的齿轮箱;多个驱动马达组件;以及多个主动齿轮其与驱动马达组件相连接并可互换地连接到齿轮箱。 [0009] 以上关于发明内容的部分只是提供有关一些相关概念的选择性的简单介绍,在下面的具体实施方式部分还会作进一步的描述。上述发明内容部分不是用来确认本发明主题的主要特点或基本特征,也不是用来帮助确定本发明主题的范围。附图说明 [0010] 为了进一步阐明本发明所具有的上述以及其它的优点和特征,本文将参照附图所描述的本发明之具体实施方式,提供针对本发明的更为详细的说明。应该理解,这些附图只是描述本发明的典型具体实施方式,因此,不可认为是限制本发明的范围。在此,将利用下述附图对本发明作进一步具体和详细的描述和解释。 [0011] 图1显示了根据一个实施例的带有模块化旋转钻机动力头的钻进系统。 [0012] 图2A为根据一个实施例的模块化旋转钻机动力头的透视图。 [0013] 图2B为图2A所示模块化旋转钻机动力头沿2B-2B截面的剖视图。 [0014] 图2C为图2A所示模块化旋转钻机动力头的平面图。 [0015] 图3为根据一个实施例的模块化旋转钻机动力头系统的立面图。 [0016] 图4显示了根据一个实施例的双动力头钻进系统。 [0017] 图5显示了图2A-2C所示的模块化旋转钻机动力头,其中驱动马达已被替换。 [0018] 结合下文中的描述,这些附图非限制性地显示了示例性装置和方法的特征。为清晰起见,部件的厚度和构形在图中可能被放大。相同的数字标号在不同的附图中用来标示相似尽管不一定完全相同的部件。 具体实施方式[0019] 在至少一个实施例中,模块化旋转钻机动力头(modular rotary drill head)包括模块化基座组件,该模块化基座组件包括齿轮箱和大口径的空心驱动轴。所述齿轮箱可以包括可互换的齿轮以及用以带动驱动轴的主动齿轮(pinions)。这种配置结构使得动力头可以结合不同的驱动马达进行操作,从而使得在采用单一的旋转钻机动力头的场合不同的驱动马达具有可互换性。驱动马达的这样的可互换性能够使动力头在较大范围的转矩和/或转速下进行操作。 [0020] 进一步地,驱动轴的这种配置结构还可使模块化钻机动力头在各种条件下操作。例如,这种动力头可用于深孔钻探,比如地热钻探,因为大口径的驱动轴和轴向轴承(axial bearings)能承受较高的轴向负荷。 [0021] 模块化旋转钻机动力头可被配置为使得齿轮箱在模块化旋转钻机使管状带螺纹构件(比如钻杆以及套管)钻进和/或钻出的时候可以移动。这样的配置结构可使齿轮箱在钻杆和钻套的旋出和旋进过程中移动,从而减少管状带螺纹构件的螺纹部位上的应力。减小螺纹部位上的应力进而可以减少螺纹纹路的磨损。本文所使用的“底部”、“下方”以及“下面”等术语被用来描述部件或系统靠近相应部件或系统的钎头端的部位,而“顶部”、“上方”以及“上面”等术语则被用来描述靠近部件或系统另一端的部位。 [0022] 图1描绘了一个钻进系统100,包括滑橇组件(sled assembly)105和动力头(drill head)110。滑橇组件105可以连接桅杆(mast)120,转而连接到钻机130。动力头110具有一个或多个与之连接的管状带螺纹构件(tubular threaded member)140。管状带螺纹构件不限定地可包括钻杆和套管。为参考方便起见,管状带螺纹构件140将被描述为钻杆。钻杆(drill rod)140还可连接另外的钻杆从而形成钻柱(drill string)150。接下去,钻柱150连接到钎头(drill bit)160或者其它与待钻凿材料(比如地层165)接触的潜孔工具。 [0023] 在至少一个实施例中,图1所示的动力头110使钻柱150在钻进过程中产生旋转。尤其是,动力头110可改变其转动速度;而且动力头110的转速和/或其传递到钻柱150的转矩可以根据钻进作业的要求来选择。例如,驱动马达、主动齿轮和/或齿轮可互换以提供适应不同钻进作业所需要的旋转速率。 [0024] 进一步地,滑橇组件105可以配置为相对于桅杆120进行移动从而为动力头110提供一种轴向力并使动力头110在钻进过程中将钎头160推动进入地层165。在所述的实施例中,钻进系统(drilling system)100包括链传动组件(chain-drive assembly)170,其被用来使滑橇组件105相对于桅杆120移动,以便如上所述为钎头160提供轴向力。就像在下文中将要更加详细描述的那样,动力头110可以采用一些不同的方式进行配置以适用于各种不同的场合。 [0025] 在至少一个实施例中,动力头110通过可互换式接头(interchangeable interface)180与钻杆140相连。进而,可互换式接头180可以在操作上与驱动法兰组件(未显示)相关联,而驱动法兰组件转而可以由驱动轴(drive shaft)190驱动。驱动轴190可以具有相对大口径的内孔。这样的配置结构使驱动轴190能传递高转矩负载。进一步地,这样的配置结构可以搭配许多不同类型的其它钻进部件,比如第二动力头和/或其它部件。 [0026] 对于旋转钻机动力头的一种基本配置结构将先作描述,其中一组示例性的部件被装配到模块化基座组件。然后对这种配置结构中旋转钻机动力头系统的功能进行介绍,接着对各种不同的部件的互换情况进行描述。 [0027] 如图2A所示,旋转钻机动力头系统200包括模块化基座组件205。模块化基座组件205包括齿轮箱210,用来支承驱动法兰组件230。齿轮箱210用以提供基座,而一个或多个驱动马达组件,比如驱动马达组件250、250’和250”,能够可替换地与该基座相连接。如下文所详述,驱动马达组件250、250’和250”可以成组地进行替换,这样,驱动马达组件 250、250’和250”可以成组地被替换为其它的驱动马达组件。驱动马达组件250、250’和 250”在操作上与驱动法兰组件230相关联,以提供动力使钻杆或其它部件产生旋转。另外,在至少一个实施例中,模块化基座组件210,以及尤其是齿轮箱210,被设置为提供螺距补偿(thread compensation),从而减少因钻杆由旋转钻机动力头系统的钻进和/或钻出时所带来的磨损。 [0028] 齿轮箱210可以在操作上与滑橇安置组件212相连。滑橇安置组件212包括带有至少一个上扣件(upper tab)216A和至少一个下扣件(lower tab)216B的基座214。所示上扣件216A和下扣件216B由基座214伸出。一个或多个轨件218至少部分地伸到上下扣件216A和216B之间。在至少一个实施例中,轨件218穿过齿轮箱210。另外,至少部分的齿轮箱210位于上下扣件216A和216B之间。 [0029] 轨件218限制齿轮箱210相对于与基座214大致平行的轴的转动,而上下扣件216A和216B限制齿轮箱210的轴向运动。就如下文中针对旋转钻机动力头系统200的功能将要进一步详述的,可动的整个齿轮箱210可以允许旋转钻机动力头系统200产生移动,从而在通过驱动马达组件250使驱动法兰组件230旋转而带螺纹杆管状构件从旋转钻机动力头系统200连接和/或脱接动作时,减少带螺纹杆管件上螺纹部位的磨损。 [0030] 此外,驱动法兰组件230被设置为具有可互换地固定在其上的其它部件。这些部件可以包括置于驱动法兰组件230的上面和/或下面的部件。动力头200也可以包括与模块化基座组件210相关联的任选的润滑组件270。 [0031] 在此实施例中,齿轮箱210一般包括顶部210A、底部210B,以及一般界定空隔的外围部210C。齿轮箱210可进一步包括可移动的与外围部210C相连的通口盖225。这样的配置结构使得能够方便地进入和接触空隔及其中设置的部件。 [0032] 图2B为描述旋转钻机动力头系统200沿图2A中2B-2B面的剖视图。如图所示,至少部分的驱动法兰组件230能够至少部分地被设置于空隔之中。驱动法兰组件230可包括带有上部232A和下部232B的驱动轴232。在至少一个实施例中,驱动轴232具有可达大约12cm或更大的内径。上方法兰托件234A可以固定在上部232A,而下方法兰托件234B则可固定在下部232B。驱动法兰236如图所示被固定于下部232B。 [0033] 图2C为描述旋转钻机动力头系统200的平面图,其中齿轮箱210顶部210A的一部分被移除以便于参看。如图2C所示,驱动轴组件230可以包括以任何适当的方式固定于驱动轴232的齿轮238。例如,齿轮238可以由一个或多个键240而固定在驱动轴232上。 [0034] 如图2B所示,驱动轴232可以在齿轮箱210中由一个或多个齿轮支承。特别地,驱动轴232可由上方和下方滚针轴承(needle bearings)242A、242B和/或上方和下方轴向轴承(axial bearings)244A、244B,比如轴向圆柱滚子轴承(axial-cylinder roller bearings),来进行支承。这样的轴承配置结构能够使旋转钻机动力头系统200在采用笨重的钻柱进行深度钻进的场合承能够使旋转钻机动力头系统200在采用笨重的钻柱进行深度钻进的场合承受较大的轴向力。 [0035] 如前所述,驱动轴232在操作上与一个或多个驱动马达组件250、250’和250”(图2A)相关联。在本图示实施例中,各个驱动马达组件250、250’和250”基本相似。在其它实施例中,模块化旋转钻机动力头系统可以包括具有不同配置结构的驱动马达组件。为参照方便起见,相似的驱动马达组件250、250’和250”将以驱动马达组件250作为参照来进行描述。应该理解,这种描述也同样适用于马达组件250’和250”。 [0036] 继续参照图2B和2C,驱动马达组件250可以包括驱动马达251。驱动马达251可以通过箱体法兰252与齿轮箱210连接。驱动马达组件250进一步在操作上与主动齿轮254相连。主动齿轮254由驱动马达组件250支承其顶部254A而由轴承组件256支承其底部254B。 [0037] 在本图示实施例中,轴承组件256包括设置为固定于齿轮箱210底部210B的法兰托件258。轴承组件256还包括轴承260,比如径向轴承(radial bearing),与法兰托件258在操作上相连。轴承260为主动齿轮254提供转动支撑,而主动齿轮254由驱动马达251所驱动。 [0038] 如前文所述,驱动马达组件250是可以互换地连接到驱动轴组件230。在本图示实施例中,当驱动马达组件250被安装于齿轮箱210时,主动齿轮254与齿轮238啮合。结果是,当驱动马达组件250开始驱动主动齿轮254时,主动齿轮254便带动齿轮238。齿轮238转而固定于驱动轴232,从而,当齿轮238旋转时就使驱动轴232转动。 [0039] 仍然如图2B和2C所示,模块化旋转钻机动力头系统200可以包括润滑组件270,用来润滑一个或多个轴承260和/或上文所述的其它轴承。在本图示实施例中,润滑组件270通常包括润滑泵272,其通过一系列导管274、274’分配润滑剂。为参照方便起见,导管 274将被描述为给轴承260提供润滑剂。应该理解,这样的描述同样也可以适用于其它轴承的润滑。 [0040] 继续参照图2B和2C,导管274可以在操作上与邻近轴承260的出口276相连。其结果是,润滑泵272可以经过导管274以及出口276将润滑剂泵送到轴承260。润滑组件270被设置为在钻机动力头系统200运行时对轴承(比如轴承260)进行润滑,从而减少了因手工润滑轴承而导致的停工时间。 [0041] 至此,本文已经对旋转钻机动力头系统200进行了描绘和叙述,其中包括一组示例性的与模块化基座组件205相连的驱动马达组件250、250’和250”。图3显示出固定在驱动法兰组件230下方的其它部件。在图示的实施例中,钻杆法兰300显示为与下方法兰托件234B相连。钻杆法兰300可以是带螺纹的销形接头,用来通过旋转进入或退出与钻杆310的相应盒端的衔接。 [0042] 如前文所述,齿轮箱210被设置为相对于滑橇安置组件212是可动的。特别是,如图3所示,一个或多个衬套305可以设置在齿轮箱210内,用来支承及引导置于轨件218上并且相对于轨件218发生移动的齿轮箱210。这样的配置结构可使旋转钻机动力头系统200在钻杆310旋进和旋出钻杆接头300时保持可动。特别是,在本图示的实施例中,当在地层钻进以及/或者将钻杆310下钻时,齿轮箱210的顶部210A与上扣件216A接触。同样地,当抬起钻杆310时,齿轮箱210的底部210B与下扣件216B接触。 [0043] 相应地,当钻杆310被提起和夹紧而让钻杆接头300相对于钻杆310转动时,齿轮箱210的底部210B常常与下扣件216B接触或者与其邻接。旋转钻机动力头系统200使钻进法兰300旋转从而使钻杆310旋出。从钻杆接头将钻杆310旋出导致钻法兰300与钻杆310之间的相对分离。如前文所述,齿轮箱210可以相对于滑橇安置组件212自由地移动。 此运动可称为螺距补偿。相应地,随着钻杆310从钻杆310退出,钻机动力头系统300便能够移动离开钻杆310,从而减少钻杆310以及钻杆接头300上螺纹部位的局部应力。 [0044] 钻杆接头300如图所示与下方法兰托件234B相连,而且应该理解其它部件和/或系统也可与下方法兰托件234B相连。例如,下方法兰托件234B可以接纳其它的钻进器件,包括但不限于冲刷头(flushing head)、防护器(preventer)、卡盘(chuck)、喷射罩(ejection bell)和/或其它钻进器件,通过将这些器件连与相应的法兰相连,而将该法兰与下方法兰托件234B相连。而且,上方法兰托件234A可以包含在其上以类似方式固定的任意数量的钻进部件。这些部件包括但不局限于中央冲刷头(central flushing head)、料盒(packing box)、反循环冲刷头(RC flushing head)和/或其它钻进器件。 [0045] 如前文所述,旋转钻机动力头系统200可相对滑橇安置组件212可动。这样的配置结构在提供螺距补偿的同时允许驱动轴232拥有大的外径以及相对大的内径。相对大的内径可使旋转钻机动力头系统200具体额外的功能。尤其是,相对大的内径可以使得相对大尺寸的部件,比如那些用于双钻或其它类似操作的部件,穿过驱动轴232。例如,双头钻进(double head drilling)、喷射注浆(jet grouting)、反循环钻进(RC-drilling)和/或其它类似操作,可通过将额外的钻机动力头或架式钻机动力头设置在同一桅杆和/或滑橇组件上来实现,就如图4中第二动力头400所示意的情形。 [0046] 图4显示一种双动力头钻进系统的配置结构,同时应该理解其它类型的双动力头结构也可以容易地连接到模块化基座组件205。而且,应当理解几个模块化基座组件205在需要的情况下可以组合起来进行双动力头钻进操作。对于特殊的应用需求,以上所述的各种配置结构均可以通过采用互换性部件而装配于单一的模块化基座组件205。相应地,模块化基座组件205可以带有在其上方或其下方连接的其它部件。 [0047] 另外,模块化基座组件205可以连接任意数量的驱动马达组件。如前文所述以及图2B和2C所示,模块化基座组件205包括齿轮箱210,而驱动马达组件250、250’及250”可以与之相连。如图5所示,驱动马达组件550、550’及550”可以替换马达组件250、250’及250”。尤其是,再参照图2B和2C,驱动马达组件250、250’及250”可通过脱开箱体法兰252与齿轮箱210的顶部210A的连接以及脱开轴承组件256与齿轮箱210的底部210B的连接而被移除。 [0048] 然后,再参照图5,轴承组件556可通过将法兰托件558固定到齿轮箱210的相应的底部210B上而固定在基座组件205上。法兰托件558用来定位轴承560以及相关联的主动齿轮554,使得主动齿轮554与齿轮238相啮合。主动齿轮552相对于轴承的定位,可以在驱动马达551的箱体法兰552固定在齿轮箱的顶部210A之时或之前进行。驱动马达551及/或主动齿轮552可以提供相对于马达组件250相关情形来说不同的转动及/或转矩操作范围。 [0049] 进一步地,多种其它的驱动马达组件可随基座组件205进行互换,其中包括多种不同的转动及/或转矩范围。相应地,旋转钻机动力头系统200能够根据需求方便地配置而通过互换模式化基座组件205上的驱动马达组件来实现不同的转矩及/或转动操作。而且,驱动马达组件的互换可根据需要在基座组件205仍与钻机桅杆保持连接的时候进行。除了提供功能的多样性之外,这样的配置结构可以减少因替换驱动马达而造成的停工时间。 [0050] 驱动马达251、551能够具有任意所需的配置结构。在至少一个实施例中,驱动马达可以是液压马达,比如Geroler、Geroter和/或星形配流(valve in star,VIS)型液压马达。 [0051] 本发明可以通过采用其它的具体方式来实施,而不会脱离其发明主旨或基本特征。本文所描述的具体实施方式在各方面考虑都只是示例说明性的而不起限制作用。因此,本发明所要求保护的范围是由后面所附的权利要求书来表达,而不是由上文中的描述内容来确定的。在与权利要求书内容等同的意义和范围内所做的改变均被视为被包含在本发明的范围。 |