頂部驅動裝置的制作方法

專利名稱：頂部驅動裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于鉆井眼的頂部驅動裝置。
背景技術：
一種用于鉆井眼(比如油氣井)的頂部驅動系統是兩種常見類型 的系統中的一種，另一種是轉盤系統。頂部驅動系統通常包括主體， 所述主體容納用于使接頭旋轉的馬達，其具有連接到接頭上的轉子， 所述接頭可連接到單根管、管立根或管柱上。所述管可以是下列管中
的任一種鉆桿、套管、村管、附加管或任何在井眼(比如油氣井) 的構建、維修和修理中使用的其他管。頂部驅動系統通常布置在鉆機 的井架上的基本上豎直的軌道上。頂部驅動系統利用越過與頂部驅動 系統連接的游動滑車上的天車的繩在軌道上提升和下放。所述繩使用 通常稱為絞車的絞盤被巻入和放出。頂部驅動系統從而可以被用于使 管進出井眼；使鉆柱旋轉以利于鉆井眼；以及使單根管或管立根相對 于懸持在井眼中的管柱旋轉以便螺紋連接或拆開鉆柱中的管柱，從而 加長或縮短管柱。吊卡通常依靠連接到頂部驅動上的連接件來便于操 作管以及對準接頭以便與其連接或拆開。頂部驅動系統也可以與被動 或主動驅動的卡盤和/或旋轉夾鉗結合使用以便于管與管柱的連接和 拆開。
現有技術公開了多種頂部驅動系統，比如在下列美國專利中所公 開的系統4,458,768; 4,807,890; 4,984,641; 5,433,279; 6，276，450; 4,813,493; 6，705，405; ; 4，800，968; 4,878,546; 4,872,577; 4，753,300.， 6,007,105; 6，536，520; 6,679,333; 6,923,254，在此完全包含所有這些 專利用于各種目的。

發明內容
根據本發明，提供了一種用于井眼操作的頂部驅動裝置，所述頂
部驅動裝置包括主體；具有貫穿其中的流動孔的主軸，所述流動孔 用作鉆井液的通道；環繞至少部分主軸并與其驅動連接的套筒軸；以 及用于使套筒軸旋轉的馬達裝置，其特征在于，齒輪系統布置在馬達 裝置和套筒軸之間，用來使套筒軸旋轉，從而驅動主軸，主軸穿過齒 輪系統，主軸可通過將主軸從套筒軸上拆開并從所述套筒軸提升所述 主軸而從主體上拆卸下來。
優選地，主軸從主體延伸。有利的是，頂部驅動裝置還包括位于 主軸上方的與主體連接的上部部件，上部部件可從主體拆開以允許從 主體提升主軸。優選地，上部部件包括下列部件中的至少一個與主 體連接的帽(bonnet )、與主軸流體連通的沖管；以及與沖管流體連通 的鵝頸管。
優選地，頂部驅動裝置還包括具有貫穿其中的中心孔的連接接頭， 主軸穿過連接接頭的中心孔。有利的是，頂部驅動裝置還包括與主軸 連接的負載環，連接接頭位于負載環的上方。優選地，頂部驅動裝置 還包括彈簧夾頭(spring cartridge )裝置，所述彈簧夾頭裝置具有頂 部環、底部環和位于頂部環和底部環之間并將頂部環和底部環推壓分 開的多個彈簧，所述彈簧夾頭裝置位于連接接頭內并且推壓連接接頭 遠離負載環，以使得在連接接頭和負載環之間保持間隙直到連接接頭 支承能克服彈簧的推力的足夠重量。優選地，頂部驅動系統還包括用 于可選擇地鎖定或旋轉連接接頭的旋轉系統。可以提供馬達以便用于 驅動旋轉。優選地，旋轉系統包括內嚙合齒輪箱、可旋轉地安裝在內 嚙合齒輪箱內的內嚙合齒輪(ring gear )和用于驅動內嚙合齒輪從而 使連接接頭旋轉的馬達。有利的是，旋轉系統還包括用于將驅動從馬 達傳送到內嚙合齒輪的齒輪傳動裝置。優選地，頂部驅動系統還包括 兩端帶法蘭的短管，所述兩端帶法蘭的短管環繞主軸布置在內嚙合齒 輪箱和連接接頭之間。有利的是，兩端帶法蘭的短管繞從主體懸掛下 來并且繞主軸布置的桿可旋轉地布置，優選地，與其同心布置。有利的是，頂部驅動系統還包括用于允許連接接頭旋轉的牽引鏈系統，所
述牽引鏈系統包括外殼；可旋轉地安裝在外殼內的兩端帶法蘭的短管； 帶有第一端部和第二端部的鏈，第一端部與兩端帶法蘭的短管連接， 第二端部與連接接頭連接，所述鏈能夠纏繞到兩端帶法蘭的短管上或 從其上解開纏繞，解開纏繞的鏈接收在外殼中；所述鏈承載的多個管
道，所述管道用于在牽引鏈系統和連接接頭下方的部件之間傳輸信號 或動力流體；以及與兩端帶法蘭的短管連接用于使兩端帶法蘭的短管
和連接接頭旋轉的旋轉系統。
優選地，齒輪系統封裝在齒輪箱中。有利的是，齒輪箱將齒輪系 統封裝于潤滑劑中。優選地，齒輪箱至少部分被套筒軸的外表面定界。
優選地，套筒軸用第一連接器裝置和第二連接器裝置與主體連接， 套筒軸上的張力通過所述第一連接器裝置傳給主體，轉矩通過所述第 二連接器裝置從馬達齒輪系統傳給套筒軸。第二連接器可以能不承載 拉伸力或者可以能承載部分拉伸力(例如管單根或立根)，但是不能承 載管柱，而第一連接器能夠承載至少一根管立根，優選一根管柱。通 常，管柱的數量級為十到幾百噸。有利的是，笫一連接器裝置包括從 布置在主體中的軸承(優選推力軸承)上的套筒軸延伸的法蘭。有利 的是，第一連接器裝置包括錐形鎖定連接器。
有利的是，主軸用第一連接器裝置和笫二連接器裝置與套筒軸連 接，主軸上的張力通過所述第一連接器裝置傳給主體，轉矩通過所述 第二連接器裝置在套筒軸和主軸之間傳送。優選地，第一連接器裝置 包括從主軸延伸的負載肩，其置于套筒軸頂端部上。優選地，所述肩 栓接到套筒軸上。有利的是，第一連接器裝置包括至少一個可膨脹的 錐形旋入轉矩傳輸襯套。
優選地，頂部驅動裝置還包括兩個間隔開的提環，每個提環具有 兩個間隔開的下端部，每個下端部與主體連接，從而為提環提供了提 環和主體之間的四點連接以便支承頂部驅動系統。
本發明還提供一種拆解頂部驅動裝置的方法，所述頂部驅動裝置 包括主體；具有貫穿其中的流動孔的主軸，所述流動孔用作鉆井液的通道；環繞至少部分主軸并與其驅動連接的套筒軸；以及用于使套筒 軸旋轉的馬達裝置，齒輪系統布置在馬達裝置和套筒軸之間，其用來 使套筒軸旋轉，從而驅動主軸，主軸穿過齒輪系統，所述方法包括通 過將主軸從套筒軸上拆開并從所述套筒軸提升所述主軸從而將主軸從 主體拆卸下來的步驟。
優選地，齒輪系統封裝在齒輪箱中，所述齒輪箱包含用于潤滑所 述齒輪系統的潤滑劑，所述方法包括從套筒軸提升主軸而不會將潤滑 劑從齒輪箱釋放出或排出的步驟。有利的是，套筒軸形成齒輪箱的部 分，以使得主軸的提升不會導致潤滑劑從齒輪箱釋放出或排出。
本發明還提供一種頂部驅動裝置，所述頂部驅動裝置包括主體； 具有貫穿其中的流動孔的主軸，所述流動孔用作鉆井液的通道；以及 用于使主軸旋轉的馬達裝置，其特征在于，主體從兩個分隔開的提環 懸掛下來，每個提環具有兩個間隔開的下端部，每個下端部與主體連 接，從而為提環提供了提環和主體之間的四點連接以便支承頂部驅動 系統。
本發明還提供一種頂部驅動裝置，所述頂部驅動裝置包括主體； 具有貫穿其中的流動孔的主軸；所述流動孔用作鉆井液的通道；以及 用于使主軸旋轉的馬達裝置，其特征在于，連接接頭從主體懸桂下來， 所述連接接頭可繞主軸相對于主體旋轉，所述主軸包括負載環，所述 連接接頭可置于所述負載環上，所述連接接頭最初與在彈性設備上的 負載環分隔開，以使得當足夠的重量附加到連接接頭上時，連接接頭 置于負載環上，將重量傳給主軸。優選地，彈性裝置包括彈簧夾頭裝 置，所述彈簧夾頭裝置包括頂部環、底部環和位于頂部環和底部環之 間并且將頂部環和底部環推壓分開的多個彈簧，所述彈簧夾頭裝置位 于連接接頭內并且推壓連接接頭遠離負載環，以使得在連接接頭和負 載環之間保持一間隙直到連接接頭支承能克服彈簧的推壓的足夠重 量。有利的是，連接接頭可在旋轉系統上旋轉。優選地，頂部驅動系 統還包括牽引鏈系統。


現在參照附圖通過實例的方式來更好地理解本發明，其中 圖1是現有技術的頂部驅動系統的示意圖； 圖2A是根據本發明的頂部驅動系統的主視圖； 圖2B是圖2A所示的頂部驅動系統的側視圖； 圖2C是圖2A所示的頂部驅動系統的俯視圖； 圖2D是圖2A所示的頂部驅動系統的后透視圖； 圖2E是圖2A所示的頂部驅動系統的前透視圖； 圖2F是拆除了其他部件的圖2A所示頂部驅動系統的一部分的透 視圖的放大圖2G是與吊卡管抓(dolly)連接的圖2A所示頂部驅動系統的 側視圖，虛線表示頂部驅動系統如何被下放并移動更靠近吊卡管抓， 為了便于說明，在此表示的頂部驅動系統為固定不動的； 圖3A是圖2A所示的頂部驅動系統的橫截面的主視圖； 圖3B是圖3A所示視圖的部分的放大圖； 圖3C是圖3A所示視圖的部分的放大圖； 圖3D是圖3A所示視圖的部分的放大圖； 圖4是圖2A所示的頂部驅動系統的部分的透視圖； 圖5是圖2A所示的頂部驅動系統的部分的透視圖； 圖6是圖2A所示的頂部驅動系統的部分的透視具體實施例方式
圖l說明了現有技術的頂部驅動系統，其在結構上由井架ll支承。 頂部驅動系統IO具有多個部件，包括4t轉接頭(swivel) 13、頂部 驅動裝置14、主軸16、外殼17、鉆桿18/鉆柱19和鉆頭20。這些部 件共同地從游動滑車12上懸掛下來，所述游動滑車12允許它們在與 井架11連接的軌道22上上下運動，所述軌道22用于引導這些部件的 豎直運動。在利用頂部驅動裝置或其部件操作期間(例如鉆井期間)， 所產生的轉矩通過吊卡管抓(未顯示)傳送給井架11。主軸16延伸穿過馬達外殼17并與鉆桿18連接。鉆桿18通常與一系列管狀件(共 同地稱為鉆柱19)的一端通過螺紋連接。鉆柱19的相對端與鉆頭20 通過螺紋連接。
在操作期間，封裝在外殼17內的馬達裝置15 (示意性顯示)使 主軸16旋轉，主軸16又使鉆桿18/鉆柱19和鉆頭20旋轉。鉆頭20 的旋轉形成井眼21。泵送到頂部驅動系統中的流體穿過主軸16、鉆桿 18/鉆柱19、鉆頭20，進入井眼21的底部。當泵送的流體穿過由鉆頭 20的外表面和井眼21的壁形成的環形空間向上從井眼21傳出時，鉆 頭20切掉的鉆屑從井眼21的底部被清除出去。
圖2A-3D說明了根據本發明的頂部驅動系統100 (其可用于代替 圖1所示的頂部驅動系統10)，其具有從索環(becket) 102懸掛下來 的支承提環104。使主軸160旋轉的馬達120支承在主體130上。帽 110支承鵝頸管106和沖管108，流體被穿過所述鵝頸管和沖管泵送至 系統100并且穿過系統100、穿過貫穿主軸160的流動通道163 (見圖 3A)。在帽110內的是沖管108的上盤根盒(packing box) 115 (與鵝 頸管106連接)和沖管108的下盤根盒117。
主齒輪箱140封裝大齒輪(bull gear) 142和其他相關部件，在 下文詳細描述。
內嚙合齒輪箱150封裝內嚙合齒輪152和其他相關部件，在下文 詳細描述。
牽引鏈系統170封裝牽引鏈176和包括軟管與繩索的相關部件， 在下文描述。所述牽引鏈系統170省除了對在幾種現有系統中使用的 旋轉頭的需要，并且為連接接頭180和與其連接的部件的重新定向提 供了足夠的旋轉。
螺松112 (見圖2E和2F)可拆卸地將帽110固定到主體130上。 請注意帽IIO在圖2F未顯示出來。拆除螺栓112允許拆下帽110。穿 過負載肩168的螺栓164可拆卸地將主軸160固定到套筒軸190上(見 圖3A)。套筒軸190是主軸160和大齒輪142之間的傳輸件并且在大 齒輪142和主軸160之間傳輸轉矩。套筒軸190還將主軸上的管或柱負載的張力傳給推力軸承190 (而不是傳給大齒輪142)。主軸160和 套筒軸190之間的轉矩傳輸利用多個間隔開的可膨脹的錐形旋入轉矩 傳輸襯套159實現，這些錐形旋入轉矩傳輸襯套159在某些方面減少 或消除了主軸160和套筒軸190之間的游隙。主軸160的端部160a(見 圖2F)被稱為"沖管端"。 一個或多個密封保持器襯套166 (在圖2A 示意性示出)位于負載肩169的上方。如下文所詳細描述，將帽110 和穿過負栽肩168用于將主軸160固定到套筒軸190上的螺栓拆卸下 來，就允許將主軸160從系統IOO上拆卸下來。上套筒軸軸承144位 于套筒軸190的一部分的上方。
如圖2G所示，系統100通過連接到與吊卡管抓134類似的可動 裝置上而可在桅桿式井架或井架的部分上(類似在井架11的部分上， 以及在軌道22上)運動(圖2G )。連接件133的端部可樞轉地連接到 主體130的臂131、 132上。連接件133的另外端部可樞轉地連接到吊 卡管抓134上。這種結構允許頂部驅動系統和相關部件上下并且朝向 和遠離井中心線運動，如虛線所繪結構所示(在起下鉆的同時連接/ 拆開鉆桿時朝向井架運動；在鉆井期間朝向井中心運動)。用已知的裝 置和結構來移動連接件133和移動吊卡管抓134。附圖中所示的參考 范圍表示頂部驅動系統100是固定不動的而吊卡管抓134移動。然而， 頂部驅動系統IOO相對于吊卡管抓運動，所述吊卡管抓固定到井架的 部件上，優選固定在豎直軌道上。
提環104的上部分在索環102的臂103上延伸并被其支承。每個 提環104具有通過銷107可樞轉地連接到主體130上的兩個分隔開的 下端部105。兩個提環的這種使用將支承負栽分配在主體上并為所述 負載提供四點支承，經濟地減少了主體上的彎曲力矩。
套筒軸190 (見圖3A)安放在主推力軸承191上，所迷主推力軸 承支承套筒軸190、主軸160和連接到主軸160上的任何部件(包括 在操作期間，由主軸190支承的任何負載(例如，鉆壓和起下鉆負載))。 主體130容納主推力軸承191并且包含用于主推力軸承191的潤滑劑。 環形通道145 (見圖3C)為潤滑劑提供從齒輪箱140流向推力軸承的流動路徑。
馬達120的軸122驅動可旋轉地安裝在主體130中的驅動聯軸器 123，所述驅動聯軸器驅動主齒輪箱140中的驅動小齒輪124。驅動小 齒輪124驅動用連接器192與套筒軸l卯連接的大齒輪142 (例如， 但不局限于，錐形鎖定連接器，其中，旋轉螺栓193 (見圖3D)使將 零件194栓接在一起的連接器擰緊，所述連接器推壓零件194抵靠套 筒軸190并且將楔形件195推出以抵靠大齒輪142，從而將大齒輪142 固定到套筒軸190上)，驅動套筒軸190從而驅動與套筒軸190連接的 主軸160。徑向軸承197支承大齒輪142。
大齒輪142位于齒輪箱140的下部分146內，所述齒輪箱140容 納大齒輪142的潤滑劑并且用密封裝置148密封，以使得潤滑劑不會 從齒輪箱140流出和向下流。可以使用任何合適的已知旋轉密封件 148，或者如在一個特別的方面，密封裝置148與在共有PCT申請中 公開的密封裝置類似，所述PCT申請基于2006年4月28日提出的美 國申請，序號為11/414,514，標題為"頂部驅動軸的多重密封件" ("Multi-Seal For Top Drive Shaft")，在此包含其全部內容用于各種 目的。利用這種具有可旋轉螺栓149的密封裝置，當第一密封結構不 再能有效密封時，使螺栓149旋轉并將第二密封結構移動到位以達到 良好的密封效果。在齒輪箱140內，大齒輪142和驅動小齒輪124置 于潤滑油中，從而減少或消除對在各種現有系統中所釆用的噴嘴、分 配泵和流量或壓力傳感器的需要。
容納內嚙合齒輪152的內嚙合齒輪箱150也具有可旋轉地安裝在 其內的兩個扇形齒輪154，每一個扇形齒輪154可通過相應的液壓缸 裝置156移動以鎖定內嚙合齒輪152 (例如，見圖3B和圖4)。在內 嚙合齒輪152解鎖(扇形齒輪154從與內嚙合齒輪152的嚙合中退出 來)的情況下，內嚙合齒輪箱150下方的部件(例如，連接接頭180 上的管子操縱裝置(未顯示))可以旋轉。在鉆桿與鉆柱連接時，內嚙 合齒輪152可以被扇形齒輪154鎖定以作為備用設備來抵抗轉矩。當 管子操縱裝置180保持住而不旋轉時(例如當將鉆桿接頭連接到鉆柱
13上時)，內嚙合齒輪152被鎖定。連接接頭180可隨著內嚙合齒輪152 和兩端帶法蘭的短管(spool) 174旋轉。參照圖4，液壓馬達158(示 意性顯示)經由齒輪159使內嚙合齒輪旋轉，從而又使連接接頭180 和從所述連接接頭懸掛的任何部件旋轉；即，在某些方面，允許被支 承的管運動至存儲區域或從存儲區域運動和/或改變懸掛吊卡的方位， 例如，使得吊卡的打開咽部面向期望的方向。通常的鉆機控制系統用 于控制馬達158和裝置156,而且通常的鉆機電力系統為它們提供電 力。
在各種現有頂部驅動系統中，帶有多個貫穿其中的通道的旋轉頭 用在系統的一些上部部件和下部部件之間以傳送用于控制在旋轉頭下 方的系統部件的液壓和氣動動力。這種旋轉頭通常無限制地旋轉360 度。根據本發明的某些方面，這種旋轉頭可以與根據本發明的系統一 起使用；但是在其他方面，牽引鏈系統170在內嚙合齒輪箱150的下 方且在連接接頭180的上方使用，以便將流體和信號傳給內嚙合齒輪 箱150下方的部件(例如，見圖3B和圖5)。牽引鏈系統170不允許 無限制地旋轉360度，但是它確實允許在第一方向上或在相對的第二 方向上有足夠的運動范圍，以便完成將由從連接接頭180(例如，吊 卡和/或管子操縱裝置)上懸掛下來的系統部件來實現的所有的功能， 在某一方面，旋轉運動范圍為大約一整圏的四分之三，270度。
可選地，代替通常的旋轉頭系統或根據本發明的牽引鏈系統，各 種已知的信號/流體傳送裝置可與根據本發明的系統一起使用；例如， 但不局限于，無線系統或電滑環系統與簡化的流體滑環系統組合。
參照圖5和圖3B，封裝在系統外殼171內的是可旋轉的兩端帶法 蘭的短管174，其被由多個相互連接的鏈部分177組成的鏈176旋轉。 在一個位置中，鏈176繞兩端帶法蘭的短管174的外周纏繞。當兩端 帶法蘭的短管174被使內嚙合齒輪152旋轉的液壓馬達158帶動旋轉 時，鏈176從兩端帶法蘭的短管174解開纏繞，解開的鏈部分送入殼 體171中，其在所述殼體中駐留直到兩端帶法蘭的短管174沿相反的 方向旋轉并且鏈176再次纏繞到兩端帶法蘭的短管174上。當鏈176纏繞或解開纏繞時，軟管和纜繩178隨著鏈176纏繞或 解開纏繞。鏈176的部分177具有開口 179，軟管和繩索178穿過所 述開口 ，以使得在靜止和當兩端帶法蘭的短管174被旋轉兩種情況下， 鏈176支承軟管和繩索178并且使它們相對于兩端帶法蘭的短管174 保持有條理的、未纏結的布置方式。鏈176的一端固定到兩端帶法蘭 的短管174上。軟管和繩索178從兩端帶法蘭的短管174突出來并且 向下延伸到系統的部件處(在圖3B中示出的一個此類部件為軟管或 繩索178a)。
緊固件183將兩端帶法蘭的短管174固定到連接接頭180上。由 于內嚙合齒輪箱150和內嚙合齒輪152的尺寸，使得兩端帶法蘭的短 管174和內嚙合齒輪152的組合(因此，連接接頭180和其下懸掛的 任何部件)被允許有某一限定程度的豎直運動。內嚙合齒輪152可以 在箱150內上下移動，例如，在一個特別的方面，移動大約0.25英寸， 而且連接接頭180相對于負載環184可以移動有限距離(負載環/連接 接頭的間隙181),在下文對此詳細描述。
帶有頂部環182a和底部環182b的彈簧夾頭裝置182具有將兩個 環推壓分開的多個間隔開的彈簧188 (例如，見圖3B和圖6)。彈簧 夾頭182在連接接頭180內并且環繞用螺栓185固定到齒輪箱140上 的桿186。突入桿186的壁中的環189從其上向外突出并且支承彈簧 夾頭裝置182。桿186用作連接接頭180運動的導向裝置，保持連接 接頭180的對中，并且在某些操作(例如鉆井)期間，經由彈簧夾頭 裝置182支承連接接頭180。
在彈簧夾頭182內的彈簧188向上推壓兩端帶法蘭的短管174， 舉升所述兩端帶法蘭的短管174、連接接頭180和內嚙合齒輪箱150 以保持連接接頭180和負載環184 (用開口環167固定到主軸上)之 間的間隙181;以便使得，例如在鉆井期間，主軸160可以獨立于連 接接頭180和與所述連接接頭連接的任何部件旋轉。彈簧188可以支 承連接接頭180、與連接接頭180連接的連接件(或提環)(未顯示) 和吊卡裝置(未顯示)的重量。當管被吊卡裝置接合時，彈簧188收縮，連接接頭180向下移動以停靠在負載環184上，然后負載被傳送 到主軸160并且通過主軸160傳送。因此，可以4吏連接接頭180 (和 與其連接的任何部件)在鉆井時保持固定不動。當足夠的負載放在連 接接頭180(例如，當用吊卡提升鉆柱時或操作套管時)上時，連接 接頭180克服彈簧188的作用力向下移動從而閉合間隙181，而且連 接接頭180停靠在負載環184上，以使得連接接頭的負載傳送給負載 環184。
因而，根據本發明的某些系統提供了兩種方式來傳輸由系統所支 承的管的負載第一種方式，與主軸連接的管的負載從主軸傳送到套 筒軸，傳送到主推力軸承，傳送到主體，傳送到提環，傳送到索環， 傳送到鉤和/或滑車，以及傳送到井架；第二種方式，當柱(例如鉆柱) 正被舉升或下放而不被旋轉時(例如，當起下鉆桿或下放套管時)，管 的負載從管的支撐件(例如吊卡)傳送到連接接頭180，傳送到負載 環184，傳送到開口環167而且從而傳送到主軸160,并且從此處與上 述的第一種負載傳輸路徑一樣，傳送傳到井架。
鉆壓(鉆柱、鉆頭等的負載)通過在主軸160的端部的螺紋連接 傳到主軸160。起下鉆負載(例如，正被運送和操縱的管的負載)通 過連接接頭180并通過負載環167傳送，而不通過主軸的螺紋連接且 不通過任何螺紋連接，以便使得頂部驅動系統的螺紋連接與起下鉆負 載隔離。
與某些現有技術的系統相比，在某些方面，帶有多個彈簧188的 彈簧夾頭182是更簡單、被動的裝置，其需要較少的維護并且可以減 少系統的停機時間。
主軸160可以從系統100中拆卸下來以<更4務理主軸或更換主軸， 而不用干擾和拆卸系統的齒輪箱和齒輪裝置。為了拆卸主軸160,帽 110、鵝頸管106、沖管108以及相關的盤根^皮拆卸下來，這些部件優 選整體地拆卸下來。拆卸固定主軸160的螺栓164。拆卸開口環167。 將主軸160從套筒軸190上拆開。在拆下負載環184和開口環167之 后，則主軸160從系統拆卸下來。在該拆卸過程中，所有的系統齒輪
16裝置和密封件保持到位而且沒有潤滑劑移出或排出。
因此，在一些實施例(但不必是所有實施例)中，本發明提供了
用于井眼操作的頂部驅動系統，所述頂部驅動系統包括主體；馬達 裝置；從主體延伸的主軸，所述主軸具有頂端部和底端部，所述主軸 具有從上到下貫穿其中的主軸流動孔，鉆井液可穿過所述孔流動；與 主軸連接并環繞主軸的套筒軸；與套筒軸相互連接的齒輪系統，所述 齒輪系統由馬達裝置驅動，以使得通過驅動齒輪系統來驅動套筒軸， 從而驅動主軸，主軸穿過齒輪系統；在主軸的頂端部上方的與主體連 接的上部部件；主軸可通過將主軸從套筒軸拆下來、通過將上部部件
主軸而從頂部驅動系統上拆卸下來。
因此，在一些實施例(但不必是所有實施例)中，本發明提供了 用于井眼操作的頂部驅動系統，所述頂部驅動系統包括主體；馬達 裝置；從主體延伸的主軸，所述主軸具有頂端部和底端部，所述主軸 具有從上到下貫穿其中的主軸流動孔，鉆井液可穿過所述孔流動；與 主軸連接并環繞主軸的套筒軸；與套筒軸相互連接的齒輪系統，所述 齒輪系統由馬達裝置驅動，以使得通過驅動齒輪系統來驅動套筒軸， 從而驅動主軸，主軸穿過齒輪系統；具有貫穿其中的中心孔的連接接 頭，主軸穿過連接接頭的中心孔；與主軸連接的負載環；連接接頭位 于負栽環的上方；在主軸的頂端部上方的與主軸連接的上部部件；主 軸可通過將主軸從套筒軸拆下來、通過將負載環從主軸上拆下來、通 過將上部部件從主體拆下來并且通過從套筒軸提升主軸而從頂部驅動 系統上拆卸下來。這種系統可以以任何可能的組合具有下列特征中的 一個或一些其中，上部部件包括與主體連接的帽、與主軸的頂端部 流體連通的沖管、與沖管流體連通的鵝頸管，以及可從主軸的上方移 動的上部部件；其中，齒輪系統位于在封裝空間內的潤滑劑中，而且 主軸可拆卸下來而潤滑劑不會從封裝空間排出；其中，套筒軸用第一 連接器和第二連接器連接到主軸上，主軸上的張力通過所述第一連接 器傳送到套筒軸，轉矩通過第二連接器從套筒軸傳送到主軸；兩個間隔開的提環，每個提環帶有兩個間隔開的下端部，每一個下端部連接 到主體上，從而為提環在提環和主體之間提供了四點連接以支承頂部
驅動系統；彈簧夾頭裝置，具有頂部環、底部環和位于頂部環和底部 環之間并將二者推壓分開的多個彈簧，彈簧夾頭裝置位于連接接頭內
并且推壓連接接頭遠離負栽環，以使得在連接接頭和負栽環之間保持 一間隙直到連接接頭支承能克服彈簧的推壓的足夠重量；用于允許連 接接頭旋轉的牽引鏈系統，所述牽引鏈系統包括外殼、可旋轉安裝在 所述外殼內的兩端帶法蘭的短管、具有第一端部和第二端部的鏈(第 一端部與兩端帶法蘭的短管連接，第二端部與連接接頭連接，鏈能夠 纏繞到兩端帶法蘭的短管上并且能從所述兩端帶法蘭的短管上解開纏 繞，解開的鏈接收在外殼內)、由鏈承載的多個管道(所述管道用于在 牽引鏈系統和連接接頭下方的部件之間傳輸信號或動力流體)以及與 兩端帶法蘭的短管連接的旋轉系統，用于使兩端帶法蘭的短管和連接 接頭旋轉；其中，旋轉系統包括內嚙合齒輪箱，可旋轉地安裝在內嚙 合齒輪箱內的內嚙合齒輪，與內嚙合齒輪相互連接的齒輪系統，用于 驅動齒輪系統以使內嚙合齒輪旋轉從而使兩端帶法蘭的短管和連接接 頭旋轉的馬達，當連接接頭被旋轉時，纏繞或解開鏈；和/或其中，旋 轉系統包括鎖定裝置，所述鎖定裝置用于可選擇地防止內嚙合齒輪旋 轉，從而可選擇地防止連接接頭旋轉。
權利要求
1. 一種用于井眼操作的頂部驅動裝置，所述頂部驅動裝置包括主體；具有貫穿其中的流動孔的主軸，所述流動孔用作鉆井液的通道；環繞至少部分主軸并與其驅動連接的套筒軸；以及用于使套筒軸旋轉的馬達裝置，其特征在于，齒輪系統布置在馬達裝置和套筒軸之間以使套筒軸旋轉，從而驅動主軸，主軸穿過齒輪系統，主軸能通過將主軸從套筒軸上拆開并從套筒軸提升主軸而從主體拆卸下來。
2. 根據權利要求1所述的頂部驅動裝置，其中主軸從主體延伸。
3. 根據權利要求1或2所述的頂部驅動裝置，還包括位于主軸上 方的與主體連接的上部部件，上部部件能與主體拆開以允許從主體提升主軸。
4. 根據權利要求3所述的頂部驅動裝置，其中上部部件包括下列 部件中的至少一個與主體連接的帽、與主軸流體連通的沖管；以及 與沖管流體連通的鵝頸管。
5. 根據權利要求1-4中的任一項所述的頂部驅動裝置，還包括具 有貫穿其中的中心孔的連接接頭，主軸穿過所述連接接頭的中心孔。
6. 根據權利要求5所述的頂部驅動裝置，還包括與主軸連接的負 載環，連接接頭位于負栽環的上方。
7. 根據權利要求5或6所述的頂部驅動裝置，還包括彈簧夾頭裝 置，所述彈簧夾頭裝置具有頂部環、底部環和位于頂部環和底部環之間并將頂部環和底部環推壓分開的多個彈簧，所述彈簧夾頭裝置位于 連接接頭內并且推壓連接接頭遠離負載環，使得在連接接頭和負載環 之間保持一間隙直到連接接頭支承能克服彈簧的推壓的足夠重量。
8. 根據權利要求5-7中的任一項所述的頂部驅動裝置，還包括用 于鎖定或旋轉連接接頭的旋轉系統。
9. 根據權利要求8所述的頂部驅動裝置，所述旋轉系統包括內嚙 合齒輪箱、可旋轉地安裝在內嚙合齒輪箱內的內嚙合齒輪以及用于驅 動內嚙合齒輪從而使連接接頭旋轉的馬達。
10. 根據權利要求9所述的頂部驅動裝置，所述旋轉系統還包括 用于將驅動從馬達傳給內嚙合齒輪的齒輪傳動裝置。
11. 根據權利要求8、 9或10所述的頂部驅動裝置，還包括兩端 帶法蘭的短管，所述兩端帶法蘭的短管環繞主軸布置在內嚙合齒輪箱 和連接接頭之間。
12. 根據權利要求11所述的頂部驅動裝置，其中，兩端帶法蘭的 短管繞從主體懸掛下來并且繞主軸布置的桿可旋轉地布置。
13. 根據權利要求11或12所述的頂部驅動裝置，還包括用于允 許連接接頭旋轉的牽引鏈系統，所述牽引鏈系統包括外殼；可旋轉地 安裝在外殼內的所述兩端帶法蘭的短管；帶有第一端部和第二端部的 鏈，第一端部與兩端帶法蘭的短管連接，第二端部與連接接頭連接， 所述鏈能夠纏繞到兩端帶法蘭的短管上或從兩端帶法蘭的短管上解開 纏繞，解開的鏈接收在外殼內；用于由鏈承栽的多個管道，所述管道 用于在牽引鏈系統和位于連接接頭下方的部件之間傳輸信號或動力流 體；以及與兩端帶法蘭的短管連接的旋轉系統，所述旋轉系統用于使 兩端帶法蘭的短管和連接接頭旋轉。
14. 根據權利要求1-13中的任一項所述的頂部驅動裝置，其中， 齒輪系統封裝在齒輪箱中。
15. 根據權利要求14所述的頂部驅動裝置，其中，齒輪箱將齒輪 系統封裝于潤滑劑中。
16. 根據權利要求15所述的頂部驅動裝置，其中，齒輪箱至少部 分由套筒軸的外表面定界。
17. 根據權利要求1-16中的任一項所述的頂部驅動裝置，其中， 套筒軸用第一連接器裝置和第二連接器裝置與主體連接，套筒軸上的 張力通過所述第一連接器裝置傳給主體，轉矩通過所述第二連接器裝 置從馬達齒輪系統傳給套筒軸。
18. 根據權利要求17所述的頂部驅動裝置，其中，第一連接器裝 置包括從布置在主體中的軸承上的套筒軸延伸的法蘭。
19. 根據權利要求17或18所述的頂部驅動裝置，其中，第一連接器裝置包括錐形鎖定連接器。
20. 根據權利要求1-19中的任一項所述的頂部驅動裝置，其中， 主軸用第一連接器裝置和第二連接器裝置與套筒軸連接，主軸上的張 力通過所述第一連接器裝置傳給主體，轉矩通過所述第二連接器裝置 在套筒軸和主軸之間傳送。
21. 根據權利要求20所述的頂部驅動裝置，其中，第一連接器裝 置包括從主軸延伸的負載肩，所述負載肩置于套筒軸頂端部上。
22. 根據權利要求20或21所述的頂部驅動裝置，其中，笫一連 接器裝置包括至少一個可膨脹的錐形旋入轉矩傳輸襯套。
23. 根據權利要求1-22中的任一項所述的頂部驅動裝置，還包括 兩個間隔開的提環，每個提環具有兩個間隔開的下端部，而且每個下 端部與主體連接，從而為提環提供了提環和主體之間的四點連接以便 支承頂部驅動系統。
24. —種用于拆解頂部驅動裝置的方法，所述頂部驅動裝置包括 主體；具有貫穿其中的流動孔的主軸，所述流動孔用作鉆井液的通道； 環繞至少部分主軸并與其驅動連接的套筒軸；以及用于使套筒軸旋轉 的馬達裝置，齒輪系統布置在馬達裝置和套筒軸之間，用來使套筒軸 旋轉從而驅動主軸，主軸穿過齒輪系統，所述方法包括通過將主軸從 套筒軸上拆開并從套筒軸提升主軸從而將主軸從主體上拆卸下來的步 驟。
25. 根據權利要求24所述的方法，其中，齒輪系統封裝在齒輪箱 中，齒輪箱包含用于潤滑所述齒輪系統的潤滑劑，所述方法包括從套 筒軸提升主軸而不會將潤滑劑從齒輪箱釋放出或排出的步驟。
26. 根據權利要求25所述的方法，其中，套筒軸形成齒輪箱的部 分，以使得主軸的提升不會導致潤滑劑從齒輪箱釋放出或排出。
27. —種頂部驅動裝置，所述頂部驅動裝置包括主體；具有貫 穿其中的流動孔的主軸，所述流動孔用作鉆井液的通道；以及用于使 主軸旋轉的馬達裝置，其特征在于，主體從兩個分隔開的提環懸掛下 來，每個提環具有兩個間隔開的下端部，而且每個下端部與主體連接，從而為提環提供了提環和主體之間的四點連接以便支承頂部驅動系 統。
28. —種頂部驅動裝置，所述頂部驅動裝置包括主體；具有貫 穿其中的流動孔的主軸，所述流動孔用作鉆井液的通道；以及用于使 主軸旋轉的馬達裝置，其特征在于，連接接頭從主體懸掛下來，所述 連接接頭能繞主軸相對于主體旋轉，所述主軸包括負載環，所述連接 接頭能置于所述負載環上，所述連接接頭最初與在彈性設備上的負載 環分隔開，以使得當足夠的重量附加到連接接頭上時，連接接頭置于 負載環上，將重量傳給主軸。
29. 根據權利要求28所述的頂部驅動裝置，其中，彈性裝置包括 彈簧夾頭裝置，所述彈簧夾頭裝置包括頂部環、底部環和位于頂部環 和底部環之間并且將頂部環和底部環推壓分開的多個彈簧，所述彈簧 夾頭裝置位于連接接頭內并且推壓連接接頭遠離負載環，以使得在連 接接頭和負栽環之間保持一 間隙直到連接接頭支承能克服彈簧的推壓 的足夠重量。
30. 根據權利要求28或29所述的頂部驅動裝置，其中，所述連 接接頭能在旋轉系統上旋轉。
31. 根據權利要求30所述的頂部驅動裝置，還包括牽引鏈系統。
全文摘要
本發明公開了一種用于井眼操作的頂部驅動裝置，所述頂部驅動裝置包括主體(130)；具有貫穿其中的流動孔(163)的主軸(160)，所述流動孔用作鉆井液的通道；環繞至少部分主軸(160)并與其驅動連接的套筒軸(190)以及用于使套筒軸(190)旋轉的馬達裝置(120)，其特征在于，齒輪系統(146)布置在馬達裝置(120)和套筒軸(190)之間，用來使套筒軸(190)旋轉，從而驅動主軸(160)，主軸(160)穿過齒輪系統(146)，主軸(160)可通過將主軸(160)從套筒軸(190)上拆開并從套筒軸(190)提升主軸(160)而從主體(120)拆卸下來。
文檔編號E21B19/16GK101432498SQ200780014793
公開日2009年5月13日 申請日期2007年4月5日 優先權日2006年4月28日
發明者C·斯維翁柬, L·E·威爾斯, P·R·福克斯, S·斯圖博斯塔達 申請人:國民油井華高有限合伙公司