CN114585798B - 具有模块化集成旋转器滚轮和钳牙的扭矩钳 - Google Patents

Abstract

本发明介绍一种扭矩钳1，其具有将旋转器滚轮和钳牙集成到上部钳3中的多个模块25，所述上部钳能够直接夹紧管状钻柱或其它螺纹设备的工具接头区域。所述旋转器滚轮具有驱动轴，其间存在钳牙，所述钳牙可相对于所述旋转器滚轮向内或向外移动使得所述旋转器滚轮和钳牙可与同一工具接头接合但在顺序上是独立的。本发明消除了通常悬置于所述上部钳3上方的额外旋转器单元，简化了起下钻操作，且为所有大小的工具接头提供足够的夹紧能力。除了集成旋转器和钳牙的多个模块25外，钳牙固持器的设计强度足以夹紧现场操作中所需的任何大小的工具接头。

Description

具有模块化集成旋转器滚轮和钳牙的扭矩钳

背景技术

夹钳或铁钻工装置通常用于将钻探管或其它管的钻柱下入或下出井，通常称为“起下钻”。钻工通常由具有相对彼此旋转的下部钳和上部钳的扭矩钳和用于与各种钻井组件(例如钻杆和钻铤)连接和断开连接的旋转器钳组成。通常，上部钳固持被称作“销钉”的上部工具接头，且下部钳固持被称作“箱”的下部工具接头。旋转器滚轮通常仅与钻柱的柱体而不与工具接头接合。

Boyadjieff等人发布的美国专利第4,023,449号、美国专利第4,348,920号和美国专利第4,765,401号以及West等人在2008年1月1日发布的美国专利第7,313,986号均示出扭矩钳和悬置于扭矩钳上方的单独旋转器钳。上述现有技术基本上都具有扭矩钳和自旋钳，所述自旋钳与扭矩钳分离，安装在托架上的更高位置，不与工具接头而是与钻探管的接头上部的柱体接合，并使钻探管的上部接头自旋直到其与下部接头断开连接为止。因为自旋钳无法与扭矩钳足够接近，现有技术的铁钻工无法用于连接和断开连接一些类型的钻杆组件。举例来说，螺旋钻铤沿柱体具有外部稳定器，自旋钳的滚轮可能会损坏所述稳定器。其它组件在表面和形状上有其它变化，这使得它们不适合沿其柱体与自旋滚轮接触。

Mason等人在2004年8月17日发布的美国专利第6,776,070号示出扭矩钳，其具有一对集成的旋转器滚轮，其中爪形成于两组侧滚轮之间的受限凹部区域中。尽管其确实公开了一对集成旋转器与扭矩钳，但夹紧爪形成在非常有限的凹部区域中，这限制了其夹紧能力并且无法为不同大小的工具接头提供所需的扭矩能力。其次，关闭旋转器时无法将工具接头对中，因为扭矩钳在与工具接头接合时如不重新定位整个扭矩钳自身则无法维持同一位置。美国专利第6,776,070号的另一个问题是由于旋转器滚轮大小受限，无法提供足够大的自旋扭矩来拧紧工具接头，因此顶部钳需要进行重复的前后旋转循环，以拧紧钻柱的工具接头连接，从而导致现场倾翻时间延长。

发明内容

本发明的目的是提供将旋转器滚轮与钳牙集成到扭矩钳中的多个模块，以通过直接在工具接头上并非在钻柱的柱体上自旋和夹紧来与所有类型的钻柱连接或断开连接，以及与所有大小的具有行业所需的足够扭矩能力的钻柱连接或断开连接。优选实施例具有三重模块，但双重模块也是简化实施例。

本发明的另一目的是消除悬垂在扭矩钳上方的单独的旋转器钳，并且使得起下钻操作更简单、更快速且更高效。

本发明的另一目的是通过使模块沿大体上直线同时朝向钻柱的中心移动来使钻柱对中而无需重新定位整个扭矩钳自身。

本发明的又一目的是提供足够自旋扭矩以使得旋转器滚轮可迅速自旋工具接头连接，使其足够紧密，使得随后扭矩钳可仅进行单个旋转循环以使所述连接具有所需扭矩，因此显著节省起下钻时间。

此外，本发明的目的是提供一种以有序方式致动旋转器滚轮和钳牙的移动的构件，使得滚轮和钳牙可与同一工具接头接合但视需要按顺序次序。

另外，本发明的目的是提供一种接合到其它现有备用装置以将箱体固持于钻机上以与钻柱或其它螺纹设备连接或断开连接的独立自旋和扭矩装置。

本发明介绍一种扭矩钳，其具有将旋转器和钳牙集成到上部钳中的多个模块，所述上部钳能够直接夹紧钻柱或其它螺纹设备的上部工具接头区域。优选地，使用具有共同驱动轴的位于顶部和底部的两个旋转器滚轮，其间存在一个或多个钳牙和钳牙固持器，所述钳牙和钳牙固持器可相对于旋转器滚轮向内或向外移动使得旋转器滚轮和钳牙可与同一上部工具接头接合但在顺序上是独立的。本发明消除了通常悬置于所述上部钳上方的额外旋转器单元，简化了起下钻操作，且为现有技术中不可能的所有大小的工具接头提供足够的夹紧能力。除了集成旋转器和钳牙的多个模块外，沿着钻柱的竖直方向将钳牙和钳牙固持器包夹于顶部和底部滚轮之间的竖直布置使得有可能使钳牙固持器的设计强度足以夹紧现场操作中广泛使用的任何大小和类型的工具接头。此外，集成旋转器和钳牙提供了自对中能力，以将所述工具接头保持在井中心位置。

本发明还包括具有多个夹紧爪的下部钳，所述夹紧爪用于在所述起下钻操作期间固持通常被称作“箱”的钻头的下部工具接头。所述下部钳为静止的而无旋转移动。所述上部钳由所述下部钳支撑且能够相对于所述下部钳围绕所述钻柱的轴线旋转。所述下部钳由其它构件支撑，这允许所述下部钳和所述上部钳一起沿着所述钻柱上升和下降，以定位所述工具接头。尽管下部钳为优选的，但不必使其与钻柱或其它螺纹设备连接或断开连接，因为例如钻台滑动件和其它备用夹钳或夹紧装置的其它构件也可固持钻柱或其它螺纹设备的下部工具接头。

当结合附图阅读时，本发明的其它特征和优点将从以下详细描述而显而易见。

附图说明

在构成本说明书的一部分的图式中，如下阐述表明本发明的各种特征的实施例：

图1为附接到载体和定位装置的本发明的一个优选实施例的扭矩钳的透视图；

图2为扭矩钳的一个优选实施例的透视图；

图3为扭矩钳的另一优选实施例的透视图；

图4为用于扭矩钳的模块的一个优选实施例的透视图；

图5为用于扭矩钳的模块的另一优选实施例的透视图。

具体实施方式

图1示出附接到载体60和定位装置61的本发明的一个优选实施例的扭矩钳1的透视图。扭矩钳的下部钳附接到可竖直地上下移动整个扭矩钳的载体。定位装置可在停放位置与井中心位置之间伸缩扭矩钳。

图2示出一个优选实施例扭矩钳1的透视图，所述扭矩钳具有在顶部上的上部钳3和在底部处的下部钳7。液压缸4附接到这两个钳且将扭矩施加到上部钳3以使上部钳围绕钳的中心旋转。需要至少一个液压缸4。优选地，在上部钳中使用集成旋转器滚轮和钳牙的三个等距间隔开120度的模块25。这些模块可通过液压缸或旋转致动器移动进出钳外壳主体且与上部工具接头接合或脱离以使得旋转器滚轮可紧夹工具接头。钻柱也可通过将所有模块沿大体上直线同时朝向钻柱的中心移动来对中而无需重新定位整个扭矩钳自身。在本发明中，带有凹槽或滚花表面的旋转器滚轮紧夹在工具接头上，因此其可以直接在工具接头上施加大量的正常夹紧力，否则不可能在柱体上施加，因为过大的力会夹坏钻柱体，继而本发明借此将能够产生大量的自旋扭矩，只要驱动马达可提供。在本发明中，因为旋转器滚轮和驱动马达可产生足够大的扭矩，因此其可双重地用以替代用于与套管连接或断开连接的传统套管钳以供进行下套管作业。下部钳7用作固持下部工具接头的备用装置，通常具有两个或三个夹紧致动器。连接扭矩钳载体60使得扭矩钳可沿着竖直轨道或导引件上升和下降且还可随着定位装置61伸展或缩回的钳牙和，以及托架。上部钳旋转优选地通过使用液压缸4或气缸或致动器来完成，但其也可通过替代地使用齿轮箱来进行，以获得更多旋转度。

图3示出另一优选实施例扭矩钳8的透视图，所述扭矩钳具有顶部上的上部钳9和底部处的下部钳10。液压缸11附接到这两个钳且将扭矩施加到上部钳9以使上部钳围绕钳的中心旋转。需要至少一个液压缸11。优选地，在上部钳中使用经集成的旋转器滚轮和钳牙的两个模块17。这两个模块可通过液压缸或旋转致动器在外壳主体内在相反方向上移动进出且与上部工具接头接合或脱离以使得旋转器滚轮可紧夹在工具接头上。钻柱也可通过将所有模块沿大体上直线同时朝向钻柱的中心移动来对中而无需重新定位整个扭矩钳自身。下部钳10用作固持下部工具接头的备用装置，通常具有两个或三个夹紧致动器，连接扭矩钳载体60使得扭矩钳可沿着竖直轨道或导引件上升和下降且还可随着定位装置61伸展或缩回的钳牙和，以及托架。上部钳旋转优选地通过使用液压缸11或气缸或致动器来完成，但其也可通过替代地使用齿轮箱来进行，以获得更多旋转度。

图4为集成旋转器滚轮33和由具有楔形槽的钳牙固持器28固持的钳牙34的所述模块25的优选实施例。使用三个模块，且其间优选地等距间隔开120度。使用至少一个滚轮33，但优选地使用多个滚轮，如图式中所示。由构建在模块中的液压缸或活塞驱动的28可相对于所述滚轮33移动进出以使得一个或多个钳牙可与工具接头接合或脱离。旋转器滚轮由轴驱动，所述轴可直接由液压或电马达35或旋转致动器驱动或由适当配置的齿轮组的齿轮箱驱动。在优选实施例中，整个模块25由至少一个液压缸或旋转致动器26在上部钳外壳主体内或外驱动。气缸或致动器26的末端通过一个或多个销钉或螺栓或类似构件连接到钳外壳主体。附接到模块主体31的结构框架30固持旋转器滚轮组合件，所述旋转器滚轮组合件由驱动马达、驱动轴和滚轮组成。

移动所述模块的另一实施例可通过使用利用液压缸或旋转致动器围绕某些点枢转的一组连杆来完成。

图5为集成旋转器滚轮33和由具有楔形槽的固持的钳牙34的所述模块17的另一实施例。使用两个模块且在相反方向上移动。由构建在模块中的液压缸或活塞驱动的35可相对于所述滚轮33移动进出以使得一个或多个钳牙可与工具接头接合或脱离。存在两组驱动轴，其中的每一者可由液压或电马达2或旋转致动器直接驱动，或由适当配置的齿轮组的齿轮箱驱动。在优选实施例中，整个模块由至少一个液压缸或旋转致动器26在钳外壳主体内或外驱动。气缸或致动器26的末端通过一个或多个销钉或螺栓或类似构件连接到钳外壳主体。附接到模块主体31的结构框架30固持旋转器滚轮组合件，所述旋转器滚轮组合件由驱动马达、驱动轴和滚轮组成。

移动所述模块的另一实施例可通过使用利用液压缸或旋转致动器围绕某些点枢转的一组连杆来完成。

尽管本文中已详细地描述了本发明的特定实施例，但这仅出于解释本发明的各种方面的目的而进行，且并不意图限制如所附权利要求书中所定义的本发明的范围。所属领域的技术人员将理解，所示和描述的实施例是示例性的，且可在不脱离本发明的范围的情况下在本发明的实践中进行各种其它取代、更改和修改，包含但不限于本文中特定论述的那些设计替代方案。

Claims (8)

1.一种上部钳，包括多个将旋转器滚轮和钳牙集成到扭矩钳的模块，所述扭矩钳与钻柱或其它螺纹钻井设备的工具接头连接或断开连接，多个所述模块可移动进出钳外壳主体，其中，每个所述模块都包括：

模块主体；

至少一个旋转器滚轮组合件，附接到所述模块主体的结构框架固持所述旋转器滚轮组合件，所述旋转器滚轮组合件包括至少一个旋转器滚轮和用于驱动所述旋转器滚轮的驱动轴；

钳牙固持器和由所述钳牙固持器固持的至少一个钳牙；

用以将所述模块朝向所述工具接头移动或从所述工具接头向后移动以使得所述旋转器滚轮组合件能够与所述工具接头接合或脱离的构件，用以向后和向前移动所述模块的所述构件为至少一个液压缸或气压缸或旋转致动器或电气致动器，用于将整个所述模块在所述上部钳外壳主体内或外驱动；

用以相对于所述旋转器滚轮组合件移动所述钳牙固持器和钳牙以使得所述一个或多个钳牙能够与所述工具接头接合或脱离的构件；以及

用以使所述旋转器滚轮组合件旋转的构件；

所述多个模块均匀分布，所有所述模块可沿大体上直线方向同时朝向所述钻柱的中心移动来使钻柱对中。

2.根据权利要求1所述的上部钳，其中：用以移动所述钳牙固持器和钳牙的所述构件为液压缸或气压缸或旋转致动器或电气致动器。

3.根据权利要求1所述的上部钳，其中：用以使所述旋转器滚轮旋转的所述构件为液压马达或旋转致动器或电气致动器或具有齿轮组合的组的齿轮箱。

4.一种与钻柱或其它螺纹钻井设备的工具接头连接或断开连接的扭矩钳，包括：

根据权利要求1-3中任一项所述的上部钳；

固持多个所述模块的外壳；

具有多个钳牙的下部钳；以及

用以相对于所述下部钳旋转所述上部钳以与所述工具接头连接或断开连接的构件。

5.根据权利要求4所述的扭矩钳，其中：每一所述旋转器滚轮具有与驱动轴一起旋转的至少一个滚轮。

6.根据权利要求4所述的扭矩钳，其中：用以相对于所述下部钳旋转所述上部钳的所述构件为至少一个液压缸或气压缸或旋转致动器或电气致动器或具有齿轮组合的组的齿轮箱。

7.一种使钻柱或其它螺纹设备的工具接头断开连接的方法，采用权利要求1-3中任一项所述的上部钳，所述方法包括以下步骤：

将上部钳中集成的旋转器滚轮和钳牙固持器和钳牙的多个模块朝向上部工具接头移动；伸展所述钳牙固持器和钳牙并紧夹在所述上部工具接头上；

将下部钳中的多个钳牙固持器和钳牙或其它备用装置朝向下部工具接头移动并紧夹在所述下部工具接头上；

使上部扭矩钳旋转以松开连接；

使所述上部钳中的经伸展的钳牙固持器和钳牙缩回并使所述滚轮旋转以完全松开所述工具接头。

8.一种使钻柱或其它螺纹设备的工具接头连接的方法，采用权利要求1-3中任一项所述的上部钳，所述方法包括以下步骤：

将下部钳中的多个钳牙固持器和钳牙或其它备用装置朝向下部工具接头移动并紧夹在所述下部工具接头上；

将上部钳中集成的旋转器滚轮和钳牙的多个模块朝向上部工具接头移动；将所述滚轮紧夹在所述上部工具接头上；使所述滚轮旋转以紧固所述工具接头；

伸展所述上部钳中的所述钳牙固持器和钳牙以紧固所述工具接头；

使上部扭矩钳旋转以紧固连接直到达成所需扭矩为止。