CN103291210B - 门型双塔齿驱动钻机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种门型双塔齿驱动钻机，其装接在底座上的井架主体由两个并行设置的单门柱塔构成，在井架中部设置有单根和双根钻杆二层台，在井架的一侧面处设有竖向齿条轨道，快速起下钻装置由设置在井架顶部的滑轮组、钢丝绳和快速起下绞车组成，钻机的顶驱设置在一个其上装有马达及悬吊装置的顶驱滑车上，顶驱滑车的悬吊装置与快速起下钻装置的钢丝绳连接，顶驱滑车上马达的输出轴通过齿轮与竖向齿条轨道啮合连接，钻杆移运装置通过铰接方式安装在井架或底座上。工作时悬吊装置可在起下绞车的驱动下实现顶驱的快速起放，实现修井、钻井和强行下管柱作业的快速转化，满足打深井时钻机空(轻)载起下钻速度的要求。

Description

门型双塔齿驱动钻机

技术领域

本发明内容属于石油钻机设备技术领域，涉及一种适用于地质、勘探、煤田、市政、水井、水平穿越等行业的钻探、打孔作业的门型双塔齿驱动钻机。

背景技术

目前国内外公知的用于钻探、打孔作业的设备大都是采用绞车、游车、天车以及钢丝绳游动***作为起下钻作业主要方式的钻机。随着世界范围内对能源需求的不断增长和钻机部件自动化水平的不断提高，这种钻机设备在应对复杂和特定地质条件以及作业效率、节能环保、性价比、可靠性方面存在很多不足，不能够满足井队和用户的要求。其缺点主要表现在：

1.机械效率低，大量功率消耗于动、静滑轮的摩擦阻力；

2.绞车需要作为配重以满足最大快绳拉力，除消耗大量钢材外也给搬家运输带来困难；

3.滑轮组、游动***结构复杂，每次搬运需要反复拆装，且每次搬运绞车滚筒死绳头需要切割掉，死绳端长度不够时，整根钻井绳即报废，浪费严重；

4.游吊***为柔性连接，无法有效固定，起下钻时大幅摆动并可能撞击井架，为安全生产带来隐患；

5.钢丝绳在搬运、钻井过程中易受撞击、挤压且受力复杂，极易受到损害造成整根绳报废；

6.由于游吊***为柔性连接，钻机无法对浅井段对钻杆进行加压和定向作业；

7.钻机搬运拆装时间长，车次多、成本高、工作量大；

8.钻机自动化程度低，维护、运行需要大量人员且劳动强度高。

基于以上缺点，近年来，挪威、美国、意大利和德国等一些国家的主要钻机生产厂均在尝试对现有钻机进行改造以探索新型结构钻机的研发方案，如引入自动化猫道、动力水龙头、交流变频、自动控制技术、齿轮齿条等，其中最具有典型特点是全液压钻机。全液压钻机在结构上采用液缸推拉固定顶驱的支架以满足起下钻的要求，同时在井架侧面安装自动化排管***和自动化猫道，并通过增速滑轮解决液缸行程过长所带来的技术问题，该机的自动化程度高，省去了钢丝绳传动***同时具备对钻杆的加压功能，因而具有一定的技术先进性。然而现有的全液压钻机也存在一些缺点，如对钻机的安装、维护要求高，沙漠、尘土环境适应性差，最大的缺点是空(轻)载起下钻速度慢(仅有0.3～0.6m/s)，使得钻井效率大打折扣，此外，目前所有这一类型的钻机提钻时仅能提单根钻杆，这对于起下钻杆、钻具的效率会造成较大影响，尤其是在打2000米以上深井时这一问题就暴露的更为，以致钻机的优越性因而得不到发挥。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷和不足，提供一种结构紧凑、使用方便、自动化性能好、可广泛应对各种地质和钻井工艺要求且作业效率高的门型双塔齿驱动钻机。

为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的；所提供的门型双塔齿驱动钻机包括井架、底座、顶驱、快速起下钻装置、上卸扣装置、钻杆、钻杆移运装置、卡盘、钻杆移运操控***、司钻操控***以及井架和底座起升***，其中，井架主体由两个并行设置的截面为矩形、三角形或多边形的单门柱塔构成，并采用铰接方式装接在底座上，双塔之间通过两组或两组以上的背梁以及背梁撑杆固定，在井架中部设置有一个单根钻杆二层台和一个双根(立根)钻杆二层台，在井架的一侧面处设有竖向齿条轨道，快速起下钻装置由设置在井架顶部的滑轮组、钢丝绳和快速起下绞车组成，顶驱设置在一个其上装设有马达及悬吊装置的顶驱滑车上，顶驱滑车的悬吊装置与快速起下钻装置的钢丝绳连接，顶驱滑车上马达的输出轴通过齿轮与竖向齿条轨道啮合连接，钻杆移运装置通过铰接方式安装在井架或底座上，司钻操控***的工作台安装在靠近井架内侧的底座工作台面上。工作时与钢丝绳连接的悬吊装置可在起下绞车的驱动下实现顶驱的快速起升或下放作业，钻井时用推力为钻头提供钻压，解决大位移井和水平井技术开发浅层油气藏的钻井问题。

本发明的技术解决方案还在于：齿条轨道在井架主体上的安装固定位置包括两个单门柱塔的同侧面、两个单门柱塔的外侧面以及两个单门柱塔的内侧面，该齿条轨道和顶驱滑车上齿轮间的齿传动同时适用于链条、链板、链轮传动或棘轮、棘爪传动。

本发明的技术解决方案还在于：顶驱滑车与井架主体间安装有由对应配合的滚轮和导轨构成的滚动定位装置，其定位装置接触面包括平面、凹面或曲面，以保证安装顶驱的滑车沿直线平行于井架运动。上述的滚轮包括竖向动滚轮和水平动滚轮。

本发明的技术解决方案还在于：顶驱滑车与井架主体间安装有由对应配合的滑板和滑轨构成的滑动定位装置，其定位装置接触面包括平面、凹面或曲面，以保证安装顶驱的滑车沿直线平行于井架运动。

本发明的技术解决方案还在于：井架主体中心线和地平面线的夹角为90°±10°。

本发明的技术解决方案还在于：快速起下钻装置、钻杆移运装置、顶驱滑车均由液压、气动或电机驱动结构驱动，顶驱滑车上安装的马达为液压驱动马达、气动马达或电动驱动马达。

根据上述技术解决方案研发的门型双塔齿驱动钻机为一种利用顶部驱动装置直接起升或下放钻具的钻井***，可替代传统钻机的绞车、游车、天车以及钻井钢丝绳的结构从而实现修井、钻井和强行下管柱(钻杆、套管)作业的快速转化，满足打深井时钻机空(轻)载起下钻速度的要求。

与现有技术相比，本发明具有下述的优点：

一、设备的结构先进、维护费用少、传动效率高、启动和停止惯性小，可精确控制拉力、推力和顶驱停顿的位置；

二、本发明的机械化工具配备齐全(设备内配有顶驱、铁钻工、管子操作装置、动力猫道等机械化工具)，自动化控制程度高(配有先进的自动化控制***，部分钻机配备无线远程监控***)，安全性能好，采用先进的自动化管子输送***、顶部驱动等技术增进作业和机械效率，减少井队人员编制(操作钻机人员少，正常作业中钻台实现了无人化作业，操作钻机仅需2～3人)，提高劳动生产率，降低工人作业强度；

三、钻机采用模块化设计，结构紧凑，安装拆卸设计合理，搬家车次少，运移快捷，可在1天内完成钻机的组装，并开始作业；

四、能耗低，钻机的耗油量是常规钻机的30％以上，噪音小；

四、工作效率高，实现了空(轻)载快速起下钻作业，起下速度可达1.5m/s；

五、井架上设有两个钻杆二层台(单根、立根)，满足钻井工艺需要，且可于井架前后方向布置；门型双塔井架的折叠式设计并结合背梁等的连接，结构稳定；

六、整个立柱最大调整角度为10°，满足打直井和斜井的要求。

附图说明

图1是本发明所述门型双塔齿驱动钻机的主视结构示意图。

图2是该门型双塔齿驱动钻机的侧视结构示意图。

图三是门型双塔齿驱动钻机配置顶驱滑车的齿式传动方式1。

图四是门型双塔齿驱动钻机配置顶驱滑车的齿式传动方式2。

图中各序号的名称分别是：1-底层，2-撑杆，3-栏杆，4-笼梯，5-单根钻杆二层台，6-双根(立根)钻杆二层台，7-快速起下绞车，8-单门柱塔，9-单门柱塔，10-笼梯，11-顶驱，12-顶驱滑车，13-马达，14-背梁，15-背梁撑杆，16-背梁，17-二层台撑杆，18-斜梯，19-直撑杆，20-上层，21-井架支腿，22-斜撑杆，23-井架起升液缸，24-直撑杆，25-抓管器横梁，26-抓管架起升液缸，27-猫道，28-抓管器支架，29-钻杆移运装置，30-钻杆，31-钻杆移运操控***，32-司钻操控***，33-滑轮组，34-钢丝绳，35-齿轮，36-齿条轨道，37-水平动滚轮，38-竖向动滚轮，39-井架内侧立柱，40-井架内侧立柱，41-悬臂吊装置，42-导轨，43-导轨。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明内容做进一步说明，但本发明的实际应用形式并不仅限于下述的实施例。

参见附图，本发明所述的门型双塔齿驱动钻机包括井架、底座、顶驱11、顶驱滑车12、单根钻杆二层台5、双根(立根)钻杆二层台6、快速起下钻装置、上卸扣装置、钻杆30、钻杆移运装置29、卡盘、钻杆移运操控***31、司钻操控***32以及井架和底座起升***等部分。井架的底座由底层1、撑杆2、斜梯18、直撑杆19、上层20、斜撑杆22、直撑杆24，抓管器横梁25及抓管器支架28等组成。井架主体采用铰接方式竖直安装在底座的底层1上，由两个并行设置的单门柱塔8、9构成，其中每个单门柱塔8、9均由井架内、外侧立柱39、40及其横撑组成的框架构成，单门柱塔8、9的截面为矩形、三角形或多边形，外观为框架或密闭形式。井架主体中心线和地平面线的夹角为90°±10°。双塔之间通过两组或两组以上的背梁14、16以及背梁撑杆15固定。单根钻杆二层台5和双根(立根)钻杆二层台6分别设在井架主体中下部和中上部，实际结构中，二层台5、6的数量可根据不同的工况需要设计为一个或两个，且二层台相对于钻杆移运装置方向在井架前后方位处布置，井架背梁14、16以及二层台撑杆17形成二层台受力结构的组成部分。在井架的一侧面处设有竖向齿条轨道，齿条轨道36在井架主体上的安装固定位置包括两个单门柱塔8、9的同侧面、两个单门柱塔8、9的外侧面以及两个单门柱塔8、9的内侧面，该齿条轨道36和顶驱滑车12上齿轮35间的齿传动同时适用于链条、链板、链轮传动或棘轮、棘爪传动。快速起下钻装置由设置在井架顶部的滑轮组33、钢丝绳34和快速起下绞车7组成。顶驱11安装在一个其上装设有马达13及悬吊装置的顶驱滑车12上，顶驱滑车12的悬吊装置与快速起下钻装置的钢丝绳34连接，顶驱滑车12上马达13的输出轴通过齿轮35与竖向齿条轨道36啮合连接，顶驱滑车12与井架主体间安装有由对应配合的滚轮(竖向动滚轮38、水平动滚轮37)和导轨43、42构成的滚轮定位装置或由对应配合的滑板和滑轨构成的滑动定位装置，其定位装置接触面均包括平面、凹面或曲面，工作时与钢丝绳34连接的悬吊装置可在快速起下绞车7的驱动下并通过滑轮组33、滚轮(滑板)、导(滑)轨等的作用实现顶驱11的快速起放作业。钻杆移运装置29安装在底座的前后位置或井架主体两侧位置，钻杆30或立管架安装在底座周围，钻杆移运装置29和井架或底座间通过铰接的方式固定。司钻操控***32的工作台安装在靠近井架内侧的底座工作台面上，钻杆移运操控***31安装固定在底座工作台面外侧。井架起升液缸23负责井架主体的起升和井架角度调整，调整结束后由井架支腿21与井架主体铰接在底座是底层1上，卡盘、立根台固定于上层20上，上层20通过直撑杆19、24及斜撑杆22铰接在底层1上。抓管架起升液缸26负责抓管器支架28的起升。用于安装井架主体、钻杆移运装置29的抓管器横梁25、抓管器支架28、各撑杆2、19、22、24、定位装置、卡盘、立根台、操作平台的与地面接触的底层1的钢梁均由两个或两个以上的单独的钢梁构成，其平面布局投影为“#”型，或多个“#”型连接或叠加，该底层钢梁或为海洋钻井移动平台和船舶用于固定上述钻机的钢架结构。

本发明中的快速起下钻装置、钻杆移运装置29、顶驱滑车12以及卡盘、上卸扣装置等均由液压或气动驱动结构驱动，顶驱滑车12上安装的马达13为液压驱动马达、气动马达或电动驱动马达。

该门型双塔齿驱动钻机正常打钻时，顶驱滑车12由马达13驱动并通过安装在马达13上的能耗制动***以及刹车(自锁)***精确定位于井架主体上的任一高度，并向司钻操控***32反馈控制信息，单根钻柱打完空车上行时由快速起下绞车7牵引钢丝绳34通过快速起下滑轮33将顶驱滑车12快速提升至接钻杆(套管)30的高度，此时固定在抓管器横梁25和抓管器支架28上的自动化抓管装置29将钻杆(套管)30从猫道27或单根钻机二层台5上同时送至顶驱11下方，完成接续钻杆作业；顶驱滑车12通过导轮37、38和导轨42、43在井架上定位，快速起下钻杆时过程同上，只是顶驱滑车12提升高度为接立根(双根)钻机二层台的高度；自动化抓管装置29此时不工作，取放钻杆(套管)的动作由顶驱11上自带的液压吊卡完成；快速起下绞车7由马达提供动力且安装有刹车和高度精确定位机构，快速起下绞车7为空(轻)载绞车，不参与钻柱向下的加压以及提升井下钻柱，钻杆移运操控***31负责对自动化抓管装置29的***控制和摆放钻杆作业。

Claims (4)

1.一种门型双塔齿驱动钻机，包括井架、底座、顶驱(11)、快速起下钻装置、上卸扣装置、钻杆(30)、钻杆移运装置(29)、卡盘、钻杆移运操控***(31)、司钻操控***(32)以及井架和底座起升***，其特征在于：井架主体采用铰接方式竖直安装在底座的底层(1)上，由两个并行设置的单门柱塔(8、9)构成，其中每个单门柱塔(8、9)均由井架内、外侧立柱(39、40)及其横撑组成的框架构成，单门柱塔(8、9)的截面为矩形或三角形，外观为框架或密闭形式；井架主体中心线和地平面线的夹角为90°±10°，双塔之间通过两组或两组以上的背梁(14、16)以及背梁撑杆(15)固定；在井架主体中下部和中上部分别设置有一个单根钻杆二层台(5)和一个双根钻杆二层台(6)；在井架的一侧面处设有竖向齿条轨道(36)，快速起下钻装置由设置在井架顶部的滑轮组(33)、钢丝绳(34)和快速起下绞车(7)组成，顶驱(11)设置在一个其上装设有马达(13)及悬吊装置的顶驱滑车(12)上，顶驱滑车(12)的悬吊装置与快速起下钻装置的钢丝绳(34)连接，顶驱滑车(12)上马达(13)的输出轴通过齿轮(35)与竖向齿条轨道(36)啮合连接，顶驱滑车(12)与井架主体间安装有由对应配合的滚轮(38、37)和导轨(43、42)构成的滚轮定位装置或由对应配合的滑板和滑轨构成的滑动定位装置，其定位装置接触面均包括平面、凹面或曲面；钻杆移运装置(29)安装在底座的前后位置或井架主体两侧位置，钻杆(30)或立管架安装在底座周围，钻杆移运装置(29)和井架或底座间通过铰接的方式固定；司钻操控***(32)的工作台安装在靠近井架内侧的底座工作台面上，钻杆移运操控***(31)安装固定在底座工作台面外侧。

2.根据权利要求1所述的门型双塔齿驱动钻机，其特征在于：齿条轨道(36)在井架主体上的安装固定位置包括两个单门柱塔(8、9)的同侧面、两个单门柱塔(8、9)的外侧面以及两个单门柱塔(8、9)的内侧面，该齿条轨道(36)和顶驱滑车(12)上齿轮(35)间的齿传动同时适用于链条、链板、链轮传动或棘轮、棘爪传动。

3.根据权利要求1所述的门型双塔齿驱动钻机，其特征在于：在顶驱滑车(12)与井架主体间安装的滚轮包括竖向动滚轮(38)和水平动滚轮(37)。

4.根据权利要求1所述的门型双塔齿驱动钻机，其特征在于：快速起下钻装置、钻杆移运装置(29)、顶驱滑车(12)均由液压或气动驱动结构驱动，顶驱滑车(12)上安装的马达(13)为液压驱动马达、气动马达或电动驱动马达。