一种便于连接和断开部件的装置和方法 |
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| 申请号 | CN200680049007.6 | 申请日 | 2006-11-24 | 公开(公告)号 | CN101346529B | 公开(公告)日 | 2015-04-29 |
| 申请人 | 国民油井华高有限合伙公司; | 发明人 | 尼尔·E·韦斯特; 普雷斯顿·R·福克斯; | ||||
| 摘要 | 一种使第一部件同第二部件便于连接和断开的方法和装置，所述装置包括： 框架 (110)；连接到所述框架(110)上的 摇臂 组件(108)，所述摇臂组件(108)至少具有第一和第二臂；用于接合第一部件的第一接合组件(120)和用于接合第二部件的第二接合组件(140)，所述第一接合组件(120)和第二接合组件(140)连接到所述框架(110)上；设置在第一接合组件(120)与摇臂组件(108)的所述第一臂之间的第一扭 力 组件(101，102)，设置在第二接合组件(140)与摇臂组件(108)的所述第二臂之间的第二扭力组件(103，104)，第二接合组件(140)固定到所述框架(110)上，所述方法包括：使第二部件与第二接合组件(140)接合；使第一部件与第一接合组件(120)接合；以及使第一或第二扭力组件(101，102，103，104)旋转第一接合组件(120)，以便在使用过程中由第一扭力装置产生的 扭矩 通过摇臂组件(108)作用到第二接合组件(140)上。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种便于使第一部件与第二部件连接或断开的装置，所述装置包括：框架(110)；用于接合第一部件的第一接合组件(120)和用于接合第二部件的第二接合组件(140)，所述第一接合组件(120)和第二接合组件(140)连接到所述框架(110)上；其特征在于：摇臂组件(108)连接到所述框架(110)上，所述摇臂组件(108)具有至少第一臂(195)和第二臂(196)；设置在第一接合组件(120)与摇臂组件(108)的所述第一臂(195)之间的第一扭力组件(101，102)；设置在第二接合组件(140)与摇臂组件(108)的所述第二臂(196)之间的第二扭力组件(103，104)，以便在使用中，由第一扭力组件(101，102)产生的扭矩通过摇臂组件(108)作用于第二接合组件(140)。 |
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| 说明书全文 | 一种便于连接和断开部件的装置和方法技术领域[0001] 本发明涉及一种便于连接和断开部件的装置和方法，所述部件例如为但不限于螺纹部件，如套管、油管、管件或钻杆。连接和断开管形件的一种特殊类型的装置通常指的是铁钻工(iron roughneck)。 [0002] 在油气井地层钻井的过程中，钻头被安装在钻柱端部并旋转钻出井眼。所述钻柱包括一串称作钻杆节的管形件。钻杆节包括上端和下端。上端设置有具有母螺纹的扩大段，称作阴螺纹端(box end)；下端设置有竖柱(upstand)和公螺纹，成为阳螺纹端。将多节钻杆连接成两节或三节的立根(stand)。利用钻机平台的钻台上的小鼠洞在远离井中中心的地方完成上述连接工作。然后将所述立根从小鼠洞中移到井中心并在井内连接到钻杆柱上。 [0003] 为了完成两根钻杆之间的连接，无论钻杆节、立根或钻柱的形式都需要利用两种工具来完成：旋转器；扭力扳手。钻杆节或钻杆立根的阳螺纹端被下入到保持在小鼠洞或井中心中的钻杆节或钻柱的阴螺纹端中。所述钻杆节或钻杆立根被吊卡提升到小鼠洞或井中心中。钻杆节或钻杆立根的阳螺纹端被下入到保持在鼠洞或井中心中的钻杆阴螺纹端。然后将旋转器移走并将扭力扳手提供给钻杆。背钳用于阻止保持在小鼠洞或井中心内的钻杆在施加扭矩期间移动，并可在旋拧期间使用。所述背钳被致动以用于使钻杆节或钻杆立根旋转，并扭转所述连接所需的扭矩。然后将扭力扳手和背钳从钻杆上移走。称作铁钻工的装置使旋转器与大钳和背钳结合在一起。 [0004] 在特定类型的接头中，如阴螺纹端和竖柱“台肩”，在给接头加扭矩时，竖柱表面和阴螺纹端表面接合，并且使上部钻杆相对于下部钻杆旋转所需的扭矩快速增加。在旋转步骤之后，这种类型的接头通常 需要少于45度的旋转以便进行加扭矩步骤。然而，一些连接不具有台肩，并具有连续的螺纹，如Hydril Wedge Thread类型的连接。 [0005] 修井期间，以与钻柱相同的方式将管柱下入到井中。然而，所述管柱有时被称作工具管柱，而不是称作钻柱。 [0006] 其它管形件用在油气井的建造和维护中，如套管。套管通常旋紧在井中心内的一节上并被下入到井中。之后将所述套管从井顶部悬挂并可用水泥胶结在合适的位置。称作尾管的其它管形件旋紧在一起并被下入到所述井中。所述尾管从一节套管的底部悬挂并可用水泥胶结在合适的位置。 [0007] 井下工具还可被连接成下述任一种：钻柱、工具管柱、套管或尾管。这些井下工具可利用螺纹连接，因此需要旋拧和加扭矩。 [0008] 用于旋拧和加扭矩的上述方法可应用到具有上述螺纹连接的任意管形件上。 [0010] 各种现有技术的铁钻工具有一同安装在托架上的气动扳手和扭力扳手。例如，为了在两个管形件(如钻杆接头)之间形成或断开的螺纹连接，特定的铁钻工具有扭力扳手，该扭力扳手具有两个颚平面。扭力扳手的上颚用于夹紧到部分上部管形件上；而下颚夹紧到下部管形件上，例如钻杆的上、下螺纹连接的部件。在夹紧到所连接的管形件上之后，上颚和下颚被相对旋转，以断开上部管形件和下部管形件之间的连接。安装在托架上位于扭力扳手上方的旋转扳手(spinningwrench)接合上部管形件并使其旋转，直至与下部管形件断开为止。 [0011] 特定的现有铁钻工系统包括托架，该托架用于沿着预定的轨道在钻台表面上滚动。在特定的现有系统中，安装旋转器和扭力扳手，它们适于相对于托架上下移动，适于与管形件正确接合，适于在两个位置之间倾斜移动，所述两个位置分别为：旋转器和扭力扳手的轴线直接垂直延伸以与直井管接合的位置，以及旋转器和扭力扳手的轴线相对于真垂线以小角度设置以便与倾斜的小鼠洞内的管接合和作用的位置。在特定的现有系统中，气动扳手可相对于扭力扳手竖直移动。 [0012] 各种无台肩连接包括但不局限于楔形螺纹连接，各种现有的铁钻工可通过范围在约28度到约30度之间的圆弧来旋转管形件。然而，两个无台肩连接之间的精确完全接合常常需要一个管形件旋转多于30度，从而形成良好的连接。为了提供另外的旋转，这些现有的系统必须要松开、复位颚、再夹紧和再次旋转(并且可能的话，进行多次上述步骤)。 [0013] 多个现有的铁钻工和大钳可扭曲或损坏薄壁管形件，这是由于它们使用了两个相对的颚来夹紧管形件。对于其它的现有系统，旋转器可将管形件的阳螺纹端旋入阴螺纹端内，但是，由于需要较长的锥形阳螺纹端，因而不能获得所述连接的台肩，需要利用扭力扳手重新夹紧所述管形件并再次旋转一个管形件。 [0014] 现有技术公开了各种用在井眼内作业的大钳，例如，但不限于下述专利文献中所公开的大钳：US6,684,737、US6,971,283、US5,161,438、US5,159,860、US5,842,390、US5,245,877、US5,259,275、US5,390,568、US4,346,629、US5,044,232、US5,081,888、US5,167,173、US5,207,128、US5,409,280、US5,868,045、US6,966,385、US6,138,529、US4,082,017、US6,082,224、US6,213,216、US6,330,911、US6,668,684、US6,752,044、US6,318,214、US6,142,041。许多现有技术的大钳使用两个相对的夹持器，所述夹持器向管形件施加力，以致使所述管形件变形或损坏。 发明内容[0015] 本申请的发明人意识到，需要提供：一种有效的、经济的管形件夹持系统，该系统使管形件的变形最小；一种有效的、经济的铁钻工和大钳，其能用在多种管形件上；一种有效的、经济的铁钻工和大钳，其利用最少的夹紧步骤来完成螺纹连接。 [0016] 根据本发明，提供一种使第一部件与第二部件便于连接和断开的装置，所述装置包括：框架；用于接合第一部件的第一接合组件和用于接合第二部件的第二接合组件，所述第一接合组件和第二接合组件连接到所述框架上；其特征在于：摇臂组件连接到所述框架上，所述 摇臂组件至少具有第一和第二臂；设置在第一接合组件与摇臂组件的所述第一臂之间的第一扭力组件，设置在第二接合组件与摇臂组件的所述第二臂之间的第二扭力组件，以便在使用中，由第一扭力组件产生的扭矩通过摇臂组件作用于第二接合组件。毫无疑问，第一接合组件和第二接合组件可直接或间接连接到所述框架。 [0017] 优选地，在使用过程中操作第二扭力组件，第二摇臂向外移动，从而移动第一臂上的第一扭力组件向框架移动，并且转动或移动第一接合组件第一量值，以便转动所述连接并优选向所述连接施加扭矩。操作第一扭力组件以进行伸展，以便转动第一接合组件，从而转动所述连接并向所述连接施加扭矩第二量值(rotate and preferably torquethe connection a second amount)。因此，对于具有特定摆幅的扭力组件来说，第一接合组件可旋转第一和第二扭力组件的组合量值。这可在紧凑空间内完成。因此，所述装置易于操作，并且易于由机械操作设备来操作，可对所述机械操作设备进行远程遥控操作。 [0018] 优选地，所述装置还包括导引装置，以便使第一接合组件可关于所述框架旋转。有利地，所述装置还包括导引装置，以便第二接合组件可关于所述框架旋转。在特定方面，所述装置在一个操作中可通过约60度的圆弧旋转管形件。 [0019] 有利地，第一接合组件设置在第二接合组件的顶部，并且优选地，第一接合组件和第二接合组件相互成直线，以便第一和第二部件对准。 [0020] 有利地，所述摇臂组件包括：顶部摇臂，其可枢转地安装到所述框架上；底部摇臂，其可枢转地安装到所述框架上。优选地，第一扭力组件包括至少一个可伸长部件。优选地，所述至少一个可伸长部件包括活塞和缸。优选地，所述可伸长部件是可伸缩的。有利地，虽然所述可伸长部件是气动的或机械的，如导轨、小齿轮或互锁链，但是，所述可伸长部件也可是液压的。优选地，第一扭力组件包括至少两个可伸长部件。有利地，第一接合组件具有壳体，该壳体具有用于容纳第一部件的喉道，所述至少两个可伸长部件分别设置在所述喉道的两侧。优选地，摇臂组件的至少第一和第二臂可关于框架围绕销或点移 动，一个所述可伸长部件设置在所述第一臂上，另一个所述可伸长部件设置在另一臂上。有利地，所述另一臂位于所述销的与第一臂相反的一侧。因此，在这种布置中，通过操作另外的可伸长部件而不是操作原始的可伸长部件，可操作第一组件以便在相反的方向上旋转第一部件。因此可在不改变设置的情况下完成断开连接和形成连接，并且可进行远程控制。因此，在使用过程中，当使一个另外的可伸长部件被操作而伸出时，另外的摇臂向外移动，从而使其它另外的可伸长部件朝向框架移动，并使第一接合组件旋转第一量值。使其它的附加可伸长部件被操作而伸出，以便使第一接合组件旋转第二量值。因此，对于具有特定摆幅的附加可伸长部件来说，第一接合组件的旋转量两倍于单个附加可伸长部件的旋转量。优选地，在使用过程中，当第一臂被推回时，另一臂被向前推。 [0021] 优选地，第二扭力组件包括至少两个可伸长部件。有利地，第二接合组件具有壳体，所述壳体具有喉道，所述至少两个可伸长部件分别设置在所述喉道的两侧。优选地，第二接合组件具有壳体，所述壳体具有用于容纳第二部件的喉道，所述至少两个可伸长部件分别设置在所述喉道的两侧。优选地，至少所述摇臂组件的第一和第二臂可关于所述框架围绕销或点运动，所述可伸长部件中的一个设置在所述第二臂上，其它可伸长部件设置在另一臂上。有利地，另一臂位于销的与第二臂相对的一侧。 [0022] 优选地，所述框架包括第一和第二板，第一和第二接合组件设置在所述两个板之间。有利地，所述装置还包括至少一个用于选择性地使框架连接或固定到第一和第二接合组件中之一上的连杆。优选地，所述装置还包括固定安装在第一和第二板之间的隔离件，所述至少一个连杆的一端固定到所述隔离件上。有利地，所述至少一个连杆可滑动地设置在隔离件上。有利地，所述隔离件为棒或杆。优选地，隔离件设置在框架喉道的两侧，并且每一隔离件具有连杆。 [0023] 有利地，所述第一和第二接合组件大致相同，或互为镜像。 [0024] 优选地，第一和第二接合组件包括壳体。优选地，所述壳体包括 第一板、第二板和至少一个隔离件。优选地，所述至少一个隔离件包括隔离U形夹。优选地，所述至少一个板具有突出部。所述突出部为圆弧的形式。优选地，框架包括喉道，所述突出部由限定喉道形状的壁导引。有利地，第一和第二接合组件中的每一个具有形成在壳体上的喉道，优选地，例如用于容纳第一和第二部件之中的一个。有利地，第一和第二接合组件包括钳架。优选地，第一和第二接合组件包括夹钳。有利地，第一和第二接合组件包括用于移动夹钳或钳架的移动组件，以便在使用中，所述夹钳或钳架可朝向第一或第二部件移动，从而与它们接合。优选地，所述移动组件还可用于使所述夹钳或钳架缩回，以便在使用中，所述夹钳或钳架移离第一或第二部件，从而与它们脱离接合。有利地，所述移动组件包括活塞和缸。优选地，所述活塞和缸被布置成在销上或围绕销旋转。旋转的量值受到下面所述的扭力连杆的限制。 [0025] 有利地，所述夹钳或钳架可在扭力臂上移动，在使用中，所述扭力臂连接接到壳体上，以便扭矩载荷至少部分地通过扭力臂施加到壳体上。优选地，所述夹钳或钳架由至少一个隔离件导引。优选地，在使用中，所述至少一个隔离件将扭矩载荷传递到壳体上。优选地，两个隔离件设置在夹钳和/或钳架两侧，以便以可伸出的方式导引所述夹钳和钳架。优选使用钳架，以便夹钳可被移除，从而进行周期清洗或更换。然而，所述夹钳与钳架成为一体是不重要的，或者根本就没有钳架。 [0026] 优选地，三个移动装置设置在壳体内的喉道周围。优选地，所述三个移动装置被布置成分别使第一或第二部件对中在第一或第二接合组件内。有利地，每一接合组件的钳架和/或可移动钳架等间距隔开，以便在所述部件接合时减少第一或第二部件的变形。优选地，所述部件被夹持。优选地，所述夹持足以保持第一部件的重量，当大扭矩从所述装置传递到第一部件并与第二部件作用时，所述夹持足以承受所述大扭矩。 [0027] 优选地，所述装置包括旋转器，以便在使用过程中所述旋转器旋 转所述第一和第二部件中的一个部件。所述旋转器以较高的旋转速度使第一或第二部件相对于另一部件旋转，以便获得较低的扭矩。优选地，所述旋转器位于框架上方，并可刚性地连接到其上。 [0028] 本发明还提供一种根据本发明的装置，其包括托架和/或旋转器。 [0029] 本发明还提供一种钻机，该钻机包括本发明的装置和托架，所述托架用于使所述装置移向或移离螺纹部件，以便进行连接或断开。优选地，所述托架设置在钻台上的立柱上。优选地，所述立柱是可旋转的，以便所述托架和装置可摆向和摆离井中心或小鼠洞或大鼠洞。优选地，所述钻机还包括控制台，其用于与旋转管形件的所述装置通信。有利地，所述螺纹部件包括下述任意一种：钻杆、套管、尾管、带眼衬管、钻头、泥浆马达、钻铤、井下泵、尾管悬挂器部件；井工具、监测工具、洗井工具、固井工具、挠性管和挠性管工具。 [0030] 本发明还提供一种利用一种装置使第一部件同第二部件便于连接或断开的方法，所述装置包括：框架；用于接合第一部件的第一接合组件和用于接合第二部件的第二接合组件，第一接合组件和第二接合组件连接到所述框架上；其特征在于：摇臂组件连接到所述框架上的，所述摇臂部件至少包括第一臂和第二臂；设置在第一接合组件与摇臂组件的所述第一臂之间的第一扭力组件；设置在第二接合组件与摇臂组件的所述第二臂之间的第二扭力组件；所述方法包括以下步骤：使第二部件与第二接合组件接合；使第一部件与第一接合组件接合；以及使第一或第二扭力组件被致动以旋转第一接合组件，以便在使用过程中，由第一扭力装置产生的扭矩通过摇臂组件作用到第二接合组件上。优选地，第二接合组件选择性地固定到框架上。 [0031] 优选地，操作第二扭力组件，第二摇臂向外移动，从而使第一臂上的第一扭力组件向框架移动，并且旋转或移动第一接合组件第一量值，从而旋转并优选施加扭矩使第一部件向第二部件旋转，操作第一扭力组件以便旋转第一接合组件，从而旋转并优选施加扭矩使第一部件向第二部件旋转。 [0032] 有利地，第一扭力组件包括可伸长部件，并且第二扭力组件包括可伸长部件，所述方法包括以下步骤：使第二扭力组件伸出，以便向外移动第二摇臂，从而使第一臂上的第一扭力组件向所述框架移动，并且旋转或移动第一接合组件第一量值，使第一扭力组件伸出，以便旋转第一接合组件，从而旋转并优选施加扭矩所述连接第二量值。 [0033] 优选地，所述方法还包括：使第一接合组件与第一部件脱离，以及使第二接合组件与第二部件脱离。优选地，所述方法还包括以下步骤：使第二接合组件从所述框架上脱开，使第一接合组件固定到所述框架上，从而使第一或第二扭力组件致动以旋转第二接合组件，以便在使用过程中，由第一扭力组件产生的扭矩通过摇臂组件作用到第一接合组件上。优选地，这可通过连杆来完成，所述连杆可沿着杆滑动，所述杆形成在与第一和第二接合组件所形成的接合之间的部分框架。 [0034] 因此，在优选的方法中，所述装置可用于通过旋转下部部件而不是旋转上部部件来向连接施加扭矩。当将钻头连接到管形件(如钻杆、套管、钻铤、泥浆马达、或底部孔组件上的其它部件)上时，这是非常有用的。这对于连接工具管柱端部上的工具也是有用的。这对于装配钻杆立根也是有用的。保持在钻台上可旋转小鼠洞内的下部钻杆可旋转，而钻杆的上部部分保持静止。这可提高甲板上方钻工的安全性。 [0035] 本发明还提供一种使第一部件同第二部件连接或断开的装置和方法，所述装置包括：框架；第一和第二接合组件；用于选择性地将第一和第二接合组件中的一个固定到框架上的设备，以便第一和第二接合组件中的另一个能够旋转，有利地，向第一与第二部件之间的连接施加扭矩。优选地，所述设备包括连杆，有利地，所述框架包括第一和第二板，所述板具有位于它们之间的隔离件，所述连杆连接到所述隔离件上。 [0036] 一种用于使第一部件同第二部件便于连接或断开的装置，所述装置包括：框架，以及第一和第二接合组件，每一接合组件具有三个可移动的钳架以及用于同时和同步移动所述钳架的动力移动装置。第一 接合组件的所述三个钳架可同时或不同时同第二接合组件的所述三个钳架脱离和结合。 [0037] 在一个特定方面，上部或下部接合组件可紧固到框架上，所述框架内包围所述接合组件，以便任一接合组件可用于旋转管形件。在特定的实施例中，本发明的系统对于连接和断开连接以及钻头断开是有用的。附图说明 [0038] 为了更好的理解本发明，通过示例并结合附图可以对本发明进行更好的理解，其中： [0039] 图1A为具有本发明装置的一部分钻机的透视图，并示出了连接钻杆作业的第一步骤； [0040] 图1B示出了图1A的装置的一部分钻机的顶视图； [0041] 图1C示出了图1A的装置的一部分钻机的侧视图； [0042] 图1D示出了图1A的装置的一部分钻机的透视图，并示出了连接钻杆作业的第二步骤； [0043] 图2A为本发明的扭力扳手的透视图，并示出了在一位置连接钻杆作业的第一步骤，在该位置易于提供钻杆； [0044] 图2B为图2A的扭力扳手的顶视图； [0045] 图2C为图2A的扭力扳手的分解图； [0046] 图2D为图2A的扭力扳手的透视图，示出了一些隐藏的部件； [0047] 图2E为图2D的扭力扳手的前视图； [0048] 图2F为图2A的扭力扳手的侧视图； [0049] 图2G为图2A的扭力扳手的透视图，通过去除一些部件来示出一些隐藏的部件； [0050] 图3为图2A的扭力扳手的夹紧缸的透视图； [0051] 图4为图2A的扭力扳手的夹紧缸的透视图； [0052] 图5A为图2A示出的具有在缩回位置的夹钳的扭力扳手的透视图； [0053] 图5B为图5A的扭力扳手的透视图； [0054] 图5C为图5A的扭力扳手的顶部剖开视图； [0055] 图5D为图5A的扭力扳手的透视剖开视图； [0056] 图6A为图2A示出的具有在伸出位置的夹钳的扭力扳手的顶视图； [0057] 图6B为图6A的扭力扳手的透视图； [0058] 图7A为图2A示出的具有在伸出位置的夹钳和顺时针旋转的上部接合组件的扭力扳手的顶视图； [0059] 图7B为图7A示出的扭力扳手的透视图； [0060] 图8A为图2A示出的具有固定到框架上的下部接合组件和从图7A所示的夹钳伸出的位置逆时针旋转的上部接合组件的扭力扳手的顶视图； [0061] 图8B为图8A所示的扭力扳手的透视图； [0062] 图8C为图8A所示的扭力扳手的顶视图，通过去除一些部件来示出一些隐藏的部件； [0063] 图8D为图8A所示的扭力扳手的透视图，通过去除一些部件来示出一些隐藏的部件； [0064] 图9A为图2A示出的具有固定到框架上的上部接合组件和从图7A所示的夹钳伸出的位置逆时针旋转的下部接合组件的扭力扳手的顶视图； [0065] 图9B为图9A所示的扭力扳手的透视图； [0066] 图10A为本发明的系统的透视图； [0067] 图10B为图10A所示的系统的前视图； [0068] 图10C为图10A的系统的一部分的透视图； [0069] 图11A为本发明系统的透视图； [0070] 图11B为图11A所示的系统的前视图；以及 [0071] 图11C为图11A的系统的一部分的透视图。 具体实施方式[0072] 图1A-1D示出了具有本发明装置的一部分石油钻机的透视图，其 中示出了连接钻杆作业的第一步骤。所述装置一般由附图标记10表示，该装置10设置在托架20上，该托架20上/下竖直移动地连接到柱14上，并且也能够在钻台RF上水平移向或移离井W内的钻柱DS的钻杆D。该钻柱DS处于井中心。在装置10的每侧的支承臂22和两个支承臂24在一端可枢轴地连接到托架20的基座23上，另一端可连接到支承件25上。任选的是，仅仅使用一个支承臂，或者两个支承臂平行使用。连接器21优选为旋转台，其可移动地设置在承窝(socket)29内，以将所述系统安装在所述钻机上。在一特定方面，所述双臂从柱 14向外移动旋转器/扳手60cm(24英寸)，这导致在竖直方向升高16.5cm(6.5英寸)。 [0073] 本发明的装置10具有扭力扳手100和旋转器12，该旋转器12连接到旋接扳手托架27上并且设置在支承件25上，所述扭力扳手100和旋转器12通过移动支承臂22、24借助于动力机构PM朝向和远离柱14移动。任选的是，可以使用已知的扭力扳手来代替本发明的扭力扳手，例如代替扭力扳手100。可以使用任何合适的旋转器，包括但不限于美国专利 US4,348,920、US6,776,070、US4,221,269、US5,660,087、US4,446,761、US3,892,148、US4,023,449中的旋转器，并且在这些专利文献中公开的现有技术也作为参考。旋转器12在旋接扳手托架27上朝向或远离扭力扳手100上下移动。控制台CS在图1B中示意性地示出。任选的是，该控制台CS与扭力扳手100、托架25和旋转器12进行有线或无线通信，和/或该控制台CS远离它们设置。 [0074] 图2A-2F示出了本发明的扭力扳手100，该扭力扳手100具有框架110，上颚组件120和下颚组件140位于框架110内。每一颚组件中的夹持组件170a、170b、170c、180a、 180b、180c通过相应的扭力缸101、102、103、104旋转。每一颚组件120、140具有扭力缸 101、102、103、104，以便旋转由颚组件120、140所夹紧的管形件。扭力缸101和102移动上部夹持组件170a、170b、170c，扭力缸103和104移动下部夹持组件180a、180b、180c。 [0075] 钳架127b枢转地设置在扭力连杆128b的近端。该扭力连杆128b 的远端枢转地连接到隔离U形夹(spacer clevis)130b上，该隔离U形夹固定在上板122和下板124之间。钳架127b设置在夹紧缸126b的杆的前部(并且可连接到所述杆上)。在启动夹紧缸126b时，所述杆可选择性地伸出或缩回，从而伸出和缩回钳架127b。当上颚组件120旋转时，扭力连杆128b承受载荷，或者当上颚组件120静止时，所述扭力连杆128b用于对下颚组件140的旋转产生的作用力进行反作用，如下所述。因此，动力缸的杆基本上同这些载荷隔离。 [0076] 扭力缸101的轴101a枢转地连接到隔离U形夹130b上。扭力连杆128b的孔128h容纳从隔离U形夹130b突出的销130p。扭力缸101的轴101a具有孔101h，该孔101h容纳从隔离U形夹130b突出的销130r，以便将轴101a枢转地连接到隔离U形夹130b上。每一钳架127b、127c连接到每根杆(例如轴125b)上，所述杆移入或移出动力缸(参看图3和4)。钳架127b、127c携带一个夹钳(或多个夹钳)，在使用时咬住管形件从而允许扭力缸101、102、103、104的力向管形件上传递切向载荷(扭矩)。外部夹紧缸126a、126b、126c、146a、146b、146c不产生切向载荷。外部夹紧缸126a、126b、126c、146a、146b、146c将夹钳推入管形件中。这种载荷的大部分通过扭力连环128b、128c作用到隔离U形夹130b上、作用到颚板122、124上、作用到扭力缸101、102、103、104上，并经由摇臂装置108作用到其它颚组件140上。三分之一的载荷通过每个扭力环128b、130u、1301作用。 [0077] 参看图2C，后夹持组件170c与后夹持组件180c一样。后夹持组件170c包括具有移动轴125a的夹紧缸126a，移动轴125a连接到具有一个夹钳(或多个夹钳)132的钳架127c上，所述夹钳通过螺钉131固定在合适的位置上。所述后部钳架的移动通过紧紧接触隔离U形夹130b的边缘130e、130f和隔离U形夹130c的边缘130g、130h进行导向。在动力缸126a的顶部和底部的销126v(在图2c中示出一个销126v，即顶部销；底部销相似地进行定位，并且从动力缸126a的底部突出)分别突出到上板122和下板124的孔内，以便使动力缸126a 固定到上板122和下板124上。在使用过程中，当上颚组件120旋转时，钳架127c承受隔离U形夹130c上的扭矩载荷，或者当上颚组件120静止时，钳架127c用于对下颚组件140的旋转产生的作用力进行反作用。 [0078] 上板122具有凹槽136，该凹槽136容纳对中导引结构134，该对中导引结构134包括连接到上颚板122上的节段134a、134b和134c。所述对中导引结构134用于使上颚组件120保持在框架110内的所需中心位置。节段134a、134b和134c的上部部分突入到框架 110的上部框架板116的喉道116t上。优选地，在喉道116t的壁116a与节段134a-134c的外缘之间存在小的间隙。相似的结构集中在下颚组件140的中心，其包括节段或节144(参看图2A)、下颚板124和下颚组件140的上颚板192内的相应凹槽。此外，凹槽145a内的一个节(或多个节)145在扳手框架110的下部框架板118的喉道118t的壁118a内向下突出，所述的节使下颚板关于壁118a对中(而节134a-134c使上颚板122关于壁116a对中)。因此，上颚组件120能够相对于框架110和下颚组件140旋转。下颚组件140能够独立于上颚组件120进行旋转。 [0079] 摇臂结构108具有主杆197，上臂195和下臂196连接到所述主杆上。扭力缸101、102连接到臂195上，而扭力缸103、104连接到臂196上。销198容纳在上下部框架板116、 118上的孔115h内，以便将主杆197枢转地固定到扳手框架110上。 [0080] 扳手框架110的杆114穿过基础连杆(grounding link)112的孔112h。由于下述原因，所述基础连杆112可在杆114上上下移动；可关于杆114旋转；并且可在扳手框架110和颚组件120或140中的一个之间提供连接。例如，如图2A和2D所示，采用销112p将基础连杆112销接到相应的隔离U形夹130b上，以便选择性地使下颚组件140连接到扳手框架110上，从而防止下颚组件140关于扳手框架110移动，并允许扭力缸使用夹持组件旋转整个颚板，进而旋转由夹持组件所夹持的管形件。销112p穿过隔离U形夹130b上的相应孔130j。 如果需要，基础连杆112可以同下颚组件140的隔离U形夹130b脱离；在杆 114上升高；然后连接到上颚组件120的隔离U形夹130b上，以便当释放下颚组件140并使其移动时使得上颚组件120相对于扳手框架110固定不动。 [0081] 扳手框架110具有侧部元件117和后部元件113，所述侧部元件117和后部元件113在上、下部框架板116、118之间并连接到上、下部框架板116、118上，所述上、下部框架板具有安装体115(顶部和底部，图2C示出了一个)，该安装体具有孔115h。扳手框架在竖直方向上支承所述颚组件，使它们的轴线对准，并且阻止它们中的每一个旋转。上颚组件或具有基础连杆(其利用典型的操作结合到下颚组件上，以便只有上颚组件能够旋转)下颚组件。对于钻头断开和类似操作来说，基础连杆移向上颚组件并连接到所述上颚组件上。 [0082] 如图3和4所示，动力缸PC(例如，与使用上颚组件120和下颚组件140的动力缸一样)具有：口199a，压力流体通过所述口199a被提供给动力缸PC，以使轴199d伸出；口199b，流体通过所述口199b从动力缸排出，以使动力轴199d缩回；以及任选地，口199c，高压流体，如在一方面为350巴(5000psi)，通过所述口199c提供，以增加夹紧力，并且进一步将夹钳压在管形件上。 [0083] 典型的已知系统被用于将压力流体提供给颚组件120、140的动力缸PC。 [0084] 一方面，压力流体，例如在13巴和175巴(200和2500psi)之间的流体，从流体装置10或输出源(例如，钻机)供应到流体分配器，所述流体分配器具有三个容积排量泵，例如但不限于三个齿轮泵，所述泵通过共用轴进行操作，所述泵为相应的动力缸提供动力流体。 [0085] 使用共用轴可以确保每一泵向相应的动力缸产生同量的流体流，并确保钳架同时和同步地移入和移出。钳架同步移动的获得产生了三个钳架之间管形件的对中。即使最初施加到动力缸上的力不平衡，也可以形成位于钳架之间的管形件的同步移动和对中。在典型的作业中，使装置10进行最初定位，以便使后动力缸126a(未示出)和它们的 夹钳接触被夹持和旋转的管形件，而前动力缸的一个或两个前夹钳仍未与所述管形件接触，因此，由每个颚组件120、140的三个夹持组件施加到所述管形件上的力是不平衡的。通过向三个相同水平的夹持组件中的每一个提供相同的流量，一个或其它夹持组件移动，以便距离相同，在这种情况下，初始偏离中心的管形件被推向中心。然后，在前夹钳接触所述管形件之前推开所述后夹钳，从而使所述管形件位于中心。 [0086] 图5A-9B示出了本发明的多种方法，这些方法可以通过本发明的系统10和本发明的扭力扳手(如扭力扳手100)来实现。当一个或其它颚组件夹紧到管形件上时，颚组件动力缸的夹紧力通过动力缸作用到上颚板和下颚板上。夹钳上的扭矩载荷通过钳架、扭力连杆、隔离U形夹、动力缸传递到相关的摇臂，通过另一摇臂传递到在另一水平的颚组件。除了扳手框架外没有外部载荷。 [0087] 如图5A-5D所示，扭力扳手100的上下颚组件120、140对准，并且钳架缩回。上、下扭力缸101、102、103、104在同一方向上的完全冲程使上、下颚组件120、140对准。这可以第一模式来获得，在第一模式中，扭力缸101缩回，扭力缸102伸出，扭力缸103缩回，扭力缸104伸出。可替换地是，这可以第二模式来获得，在第二模式中，扭力缸101伸出，扭力缸102缩回，扭力缸103伸出，扭力缸104缩回。下面结合图6A-9B所可描述的方法步骤从第一模式的初始位置开始；但是应该理解，在第二模式起始，相同的步骤可以通过使扭力缸反向来获得(与第一模式中它们的位置相比)。 [0088] 颚组件120、140对准并且钳架缩回，如图5A-5D所示，管形件之间的连接(例如螺纹连接到一起的钻杆的两个节)可以容纳在扭力扳手100中。从图5A-5D(第一模式)所示的位置，如果扭力缸101伸出，则扭力缸102缩回，下颚组件140搁置到扳手框架110上，摇臂装置108不能移动，因此上颚组件120必须移动(从上看为逆时针方向旋转)。可选择地是，从图5A-5D的位置，如果扭力缸103伸出，并且扭力缸104缩回，下颚组件将不能旋转扭力扳手，但是它是因为 下颚组件140搁置到框架110上，因此，摇臂装置108移动，而上颚组件120也随之移动。 [0089] 如图6A-6B所示，上颚组件和下颚组件的钳架通过它们各自的动力缸126a、126b、126c移动，以夹紧所述管形件(未示出)。对于该步骤来说，扭力缸101、102、103、104在相同的位置，如图5A所示。 [0090] 图7A和7B示出了在两个管形件之间螺纹连接的形成，(例如在钻杆的两个螺纹连接的节之间，上节和下节)。旋转器12(在图1A中示出)使所述两个节(piece)一起旋拧到某一程度，而没有最后的紧扣扭矩，以便扭力扳手的颚组件120、140能施加最后的紧扣扭矩。定位旋转上扣连接(spun-up connection)，以便上颚组件120能夹持住上部钻杆(未示出)，并且下颚组件140夹持住下节(未示出)。为了将最后的扭矩施加到所述连接上，以便关于下节(未示出)顺时针旋转上节(未示出)，下颚组件140利用基础连杆112而搁置到扳手框架110上，并且上颚组件120顺时针旋转。这通过缩回扭力缸101、伸出扭力缸102、伸出扭力缸103和缩回扭力缸104来完成。通过上颚组件120施加到钻杆上的力通过摇臂装置108作用到下颚组件140上。在这种情况下，前述步骤中所完成的30度的旋转不足以形成所述连接(例如由移动到扭力缸的冲程传感器的末端所示)，扭矩读数降低到零，这显示出连接的形成未受影响。在自动工具的实施例中，零信号再循环和施加扭矩将继续。然后，在夹紧到所述管形件以进行进一步旋转之前，也就是，夹钳从与管形件的接合缩回(松开)，并在相反的方向上进行冲程、再夹紧、之后继续向所述连接施加扭矩，操作员可计数旋转。 [0091] 图8A和8B示出了断开两个螺纹连接的管形件(未示出)的螺纹连接，例如在图7A和图7B所示方法中所形成的两节钻杆。颚组件120、140初始对准，如图5A所示，并且螺纹连接容纳在扭力扳手100内。为了允许钻杆的上节逆时针旋转，从而断开所述连接，扭力缸101伸出，扭力缸102缩回，扭力缸103缩回，扭力缸104伸出。利用上颚组件120的夹持组件126a、126b、126c夹紧在油管上，上颚板122 和其夹持组件126a、126b、126c旋转，所产生的力通过摇臂装置108作用于下颚组件140及其夹持组件上。 [0092] 图10A、10B、11A和11B示出了一种部件断开方法，在该方法中，井筒部件从其上断开，所述井筒部件例如为钻头或用于螺纹连接到管形件上的设备的连接。例如，为了断开螺纹连接(例如，钻头200与钻铤202之间的连接或管形件与泥浆马达之间的连接)，断开板204被结合到板手框架110a上，例如断开板204的一部分插入开口206内。扭力扳手100的颚组件120、140初始对准，如图5A所示。基础连杆112可以进行变换，以释放下颚组件 140，并且将上颚组件120连接到板手框架110a上，以便下颚组件140能够用于断开所述连接。所述螺纹连接被容纳在扭力扳手内(参见图10A、10B)，所述下颚组件的钳架移动以夹持钻铤，而钻头200(参看图10A、10B)则保持在断开板204内。钻铤202逆时针旋转(扭力缸103伸出，扭力缸104缩回，扭力缸101缩回，扭力缸102伸出)。在该步骤中，通过下颚组件的旋转而施加到管形件上的扭矩通过上颚组件120作用于板手框架110a中，并在之后作用于钻头200中，从而旋松钻铤202。一旦断开与钻头的连接，旋转器将管形件(钻铤 202)从钻头上旋出。与之类似，通过颠倒这种方法，可以将钻头或其它部件连接到螺纹管形件上。一方面，通过利用所述系统的下颚组件夹持住泥浆马达的底部，然后随着上颚组件一同旋转，这样可使泥浆马达同钻铤断开。在这种情况下，上颚组件120销到框架110上，从而强制下颚组件140旋转。钻头安装在扭力框架上，该扭力框架搁置到所述框架上，从而将泥浆马达的端部旋入静止的钻头内。 [0093] 图11A至11C示出了类似于图10A至10C所示的本发明的系统(相同的附图标记表示相同的部件)，在该系统中，不需要断开板204来在钻头与管形件(例如螺纹连接到所述管形件上的钻铤)之间形成和断开连接。PDC钻头210具有夹持平面212，该夹持平面相应于板220内的开口222的形状。板220可在扳手框架110b(同图10A中的扳手框架110a)的立柱110p上上下移动。使用销225、226，板220 按照需要定位在扳手框架110b上，以适应特定高度的钻头。任选的是，可打开的门230提供了进入开口222(相应于钻头上的夹持平面)的通道，以适应更大的钻头。 [0094] 在操作中，PDC钻头210下入到板220的开口222内，然后扭力扳手100的下颚组件140夹持住钻头的平面(flats)212。然后，所述上颚组件120用于旋转管形件(例如钻铤)，以形成或断开与钻头210的螺纹轴218的连接。开口222内的板220上的凸缘(未示出)可用于支承钻头。采用特定的三牙轮钻头，所述钻头位于板220顶部的断开盒或板上(去除PDC钻头的任意内凸缘)，所述板220相应于所述钻头，并且该钻头从下面获得扭矩。 [0096] 本发明装置的颚组件无论什么时候夹紧在管形件上，所述管形件关于钳架的三个夹钳对中以及采用相同的力使夹钳咬入所述管形件会出现。例如，本发明装置的后部钳架和前部钳架接触并咬合管形件。为了移动第三钳架移入以接触管形件，流入与夹钳相关的每个动力缸的动力流体流是相等的，因此会使与所述管形件接触的所述第一两个夹钳将管形件向第三夹钳推动，而第三夹钳也向所述管形件移动。 [0097] 在此公开的任意管形件夹持系统或装置可以结合任意合适的已知大钳或管形件夹持器，包括但不限于上述列出的美国专利的主题。在此公开的任意管形件旋转系统或装置可以结合任意合适的已知大钳或管形件夹持器中，包括但不限于上述列出的美国专利的主题。 [0098] 在本发明的任意方法中，当旋转器用于旋拧上部管形件时，上、下颚组件可以从下部管形件上松开，或下颚组件能夹紧到下部管形件上，同时上颚组件松开。 [0099] 因此，在至少特定的实施例，但是不是必须所有的实施例中，本发明提供一种用于旋转管形件的装置，该装置包括：框架；连接到所述框架上的摇臂组件，所述摇臂组件包括枢转地安装到所述框架上的 顶部摇臂，以及枢转地安装到所述框架上的底部摇臂；连接到所述框架上的顶部扭力装置；连接到所述框架上用于夹持主管形件的上部夹持器；连接到所述框架上用于夹持次要元件的下部夹持器；上部夹持器和下部夹持器是可操作的，以便当顶部扭力装置旋转以关于次要元件旋转主管形件时，下部夹持器夹持和保持次要元件，同时上部夹持器夹持和保持主管形件；由顶部扭力装置产生的扭矩通过上部夹持器、顶部摇臂、底部摇臂作用于下部夹持器。 [0100] 因此，在至少特定的实施例，但是不是必须所有的实施例中，本发明提供一种用于旋转管形件的装置，该装置包括：框架；连接到所述框架上的摇臂组件，所述摇臂组件包括立柱、顶部摇臂和底部摇臂；所述顶部摇臂枢转地安装到所述立柱上；所述底部摇臂枢转地安装到所述立柱上；连接到所述框架上的顶部扭力装置，该顶部扭力装置包括第一顶部扭力缸和第二顶部扭力缸装置；连接到所述框架上用于夹持主管形件的上部夹持器装置，该上部夹持器装置包括第一上部夹持器和第二夹持器；第一上部夹持器连接到第一顶部扭力缸装置上以用于移动；第二上部夹持器连接到第二顶部扭力缸装置上以用于移动；连接到所述框架上的底部扭力装置，该底部扭力装置包括第一底部扭力缸装置和第二底部扭力缸装置；连接到所述框架上以用于夹持次要元件的下部夹持器装置，该下部夹持器装置包括第一下部夹持器和第二下部夹持器；第一下部夹持器连接到第一底部扭力缸装置上；第二下部夹持器连接到第二底部扭力缸装置上；所述上部夹持器装置和下部夹持器装置是操作的，以便当顶部扭力装置关于次要元件旋转主管形件时，所述下部夹持器夹持和保持次要元件，同时上部夹持器装置夹持住主管形件；由顶部扭力装置产生的扭矩通过上部夹持器装置、顶部摇臂、底部摇臂、底部扭力装置作用于下部夹持器装置(或者，对于由底部扭力装置产生的扭矩来说，反之亦然)。 [0101] 这种装置以任意可能的组合具有下述的一种或多种：上部夹持器装置包括框架周围间隔设置的三个可移动的钳架，每一钳架具有用于夹持管形件的夹钳，并且所述下部夹持器包括框架周围间隔设置的三 个可移动的钳架，每一钳架具有用于夹持管形件的夹钳；每一夹持器的可移动钳架以相等的间隔隔开，以减小由夹持器装置所夹持管形件的变形； 每一夹持器装置的三个可移动钳架是移动的，以有助于管形件在旋转管形件的装置对中； 底部扭力装置是可操作的，以便旋转所述次要元件；至少一个基础连杆可移动地连接到框架上，以便选择性地将框架连接到上部夹持器装置或下部夹持器装置上；上部夹持器的三个可移动钳架安装在第一上板和第一下板之间，第一上板和第一下板中的每一个具有喉道，部件可穿过所述喉道移动，以通过钳架上的夹钳进行夹持；下部夹持器装置的三个可移动钳架安装在第二上板和第二下板之间，第二上板和第二下板的中每一个具有喉道，部件可穿过所述喉道移动，以通过钳架上的夹钳进行夹持；框架上的内部凹槽、第一上板上的导引结构，所述导引结构位于所述内部凹槽内并可在所述内部凹槽内移动，从而使第一上板和上部夹持器装置保持在所需位置；框架上的内部凹槽、下板上的导引结构，所述导引结构位于所述内部凹槽内并可在所述内部凹槽内移动，从而使下板和下部夹持器装置保持在所需位置；所述每一扭力缸装置具有可移动的活塞杆(cylinder rod)，所述每一可移动的钳架具有可移动地连接到其上的扭力连杆，每一扭力连杆也连接到隔离U形夹上，每一隔离U形夹可移动地连接到相应的扭力活塞杆上，以便所述的扭力活塞杆与相应的扭力连杆上的载荷隔离；每一夹持器装置的可移动的钳架以相等的间隔隔开，以减小由夹持器装置所夹持管形件的变形；用于夹持管形件的三分之一的载荷通过夹持器装置的每一扭力连杆进行作用；托架，紧固到所述托架上的框架，以便用于旋转管形件的装置紧固到所述托架上；旋转器，用于旋转管形件，所述旋转器紧固到所述托架上位于用于旋转管形件装置的上方；所述旋转器可移动地连接到托架上，以关于旋转管形件的装置上下移动；邻接所述托架的控制台，其用于与旋转管形件的装置进行通信；所述主管形件接到钻头上，所述次要元件为钻头的一部分；和/或可枢转的支承结构，其枢转地连接到托架上，所述旋转器和旋转管形件的装置连接到所述可枢转的支承结构上，所 述可枢转的支承结构可关于托架枢转地移动旋转器和移动旋转管形件的装置。 [0102] 因此，在至少特定的实施例，但是不是必须所有的实施例中，本发明提供一种用于旋转管形件的装置，该装置包括：框架；连接到该框架上的摇臂组件，所述摇臂组件包括立柱、顶部摇臂和底部摇臂；所述顶部摇臂可枢转地安装到所述立柱上；所述底部摇臂可枢转地安装到所述立柱上；连接到框架上的顶部扭力装置，该顶部扭力装置包括第一顶部扭力缸装置和第二顶部扭力缸装置；连接到框架上用于夹持主管形件的上部夹持器装置，该上部夹持器装置包括第一上部夹持器和第二上部夹持器；第一上部夹持器连接到第一顶部扭力缸装置上以用于移动；第二上部夹持器连接到第二顶部扭力缸装置上以用于移动；连接到所述框架上的底部扭力装置，该底部扭力装置包括第一底部扭力缸装置和第二底部扭力缸装置；连接到所述框架上用于夹持次要元件的下部夹持器装置，该下部夹持器装置包括第一下部夹持器和第二下部夹持器；第一下部夹持器连接到第一底部扭力缸装置上，第二下部夹持器连接到第二底部扭力缸装置上；上部夹持器装置和下部夹持器装置是可操作的，以便当顶部扭力装置关于次要元件旋转主管形件时，下部夹持器装置夹持和保持所述次要元件，同时上部夹持器装置夹持和保持所述主管形件；由顶部扭力装置产生的扭矩通过上部夹持器装置、顶部摇臂、底部摇臂、底部扭力装置作用于下部夹持器装置；所述底部扭力装置是操作的，以便来旋转所述次要元件；至少一个基础连杆，该基础连杆可移动地连接到框架上，以便选择性地使所述框架连接到上部夹持器或下部夹持器上；托架；固定到所述托架上的框架，以便用于旋转管形件的装置紧固到所述托架上；以及用于旋拧管形件的旋转器，所述旋转器紧固到托架位于用于旋转管形件的装置上方。 [0103] 因此，在至少特定的实施例，但是不是必须所有的实施例中，本发明提供一种用于关于次要元件旋转主管形件的方法，该方法包括采用本发明的用于旋转管形件的装置的上部夹持器装置夹持主管形件， 采用本发明装置的下部夹持器装置夹持次要元件，采用本发明装置的顶部扭力装置关于次要元件旋转主管形件。 |
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