專利名稱：齒輪齒條起升式鉆機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及石油鉆機設備技術領域，特別是一種齒輪齒條 起升式鉆機。
二、 技術背景石油鉆機是用于石油勘探開發(fā)的重要設備。隨著石油工業(yè) 的發(fā)展，鉆機的類型、技術也在不斷的發(fā)展。但起升管柱的方式，都是利用由 絞車、天車、游動滑車、鋼絲繩、大鉤等組成的起升系統(tǒng)進行起升。
現(xiàn)有的鉆機主要包括井架主體、底座、起下裝置、鉆桿移運裝置、卡盤、 上卸扣機構、動力裝置、操作臺和操控裝置。其中起下裝置部分(即在起升 或下放管柱時)，通過絞車纏繞鋼絲繩，鋼絲繩通過天車和游動滑車組成的滑輪 組，帶動大鉤起升或下放管柱。這種起下裝置存在著結構復雜、鋼絲繩需定期 檢查和更換、拆裝運移復雜、造價高等缺點，特別是這種起升系統(tǒng)只有上提負 荷的功能，不具備下壓負荷的功能。鉆桿移運裝置通常是通過小滑車和導軌配 合，采用人工從鉆桿架搬運的方式，不僅勞動強度大、工作效率低，而且還存 在一定的操作危險。
隨著鉆井技術的不斷發(fā)展，水平井、定向井打得越來越多。由于現(xiàn)有鉆機 的起升系統(tǒng)不具備下壓負荷的功能，對于一些淺井定向井，限制了鉆井工藝的 實現(xiàn)。另外，現(xiàn)有鉆機的起升系統(tǒng)對于精確自動送鉆、鉆桿自動排放和移運等 自動化操作的實現(xiàn)也有一定的限制，因此研究一種新型的起升系統(tǒng)，解決現(xiàn)有 鉆機存在的問題非常必要。
三
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術所存在的諸多問題，提供
3一種齒輪齒條起升式鉆機，以簡化鉆機結構，增加下壓負荷的功能，提高自動 化操作水平。
其技術方案是包括井架主體、底座、起下裝置、鉆桿移運裝置、卡盤、 上卸扣機構、操作臺和操控裝置。所述的井架主體包括垂直鏈接于底座上方的 井架以及對稱設置在井架同一側的兩條齒條和導軌；起下裝置包括主體面板、 裝置在主體面板上的頂部驅動頭、設置在頂部驅動頭下方的吊卡以及設置在主 動面板上的驅動馬達和滾輪，其中驅動馬達與齒輪聯(lián)動后與井架上的齒條配合， 滾輪與井架上的導軌配合；所述的鉆桿移運裝置包括內端與底座鉸鏈的起升臂、 支撐起升臂升降的起升液缸和設置在起升臂外端部的鉆桿抓取機構。
上述方案還包括所述的起下裝置還包括裝置在主體面板上的剎車機構， 其驅動馬達為左右對稱分布的兩個或四個，與之配套的齒輪也為兩個或四個， 滾輪為前后對稱的兩組，前滾輪由上、下滾輪作用在導軌的外側面，后滾輪由 上、下滾輪作用在導軌內；所述的鉆桿抓取機構是包括平行固定在起升臂外端 部的前、后抓手和驅動抓手的驅動桿，在外端部的升降臂下部設有底部支撐架， 該底部支撐架的一側或兩側通過驅動桿鉸鏈有鉤子。所述的上卸扣機構、卡盤、 吊卡和起升缸、驅動桿均為液壓或氣動驅動結構，所述的驅動馬達為液壓驅動 馬達、氣動馬達或電動驅動馬達。所述的操作臺固定在井架中下部，操控裝置 安裝在臺面的外側邊，臺面的中間預留有與升降臂配合的長槽口。
本發(fā)明的齒輪齒條起升式鉆機的優(yōu)點包括
1、 簡化了整個鉆機的結構，取消了絞車、鋼絲繩、天車、游車。
2、 井架、底座結構更加簡單輕便，便于安裝和移運。3、 齒輪齒條與鋼絲繩相比不必進行定期檢查和更換，維護費用低，壽命長。
4、 由于齒輪與齒條嚙合傳動實現(xiàn)了管柱起升系統(tǒng)的垂直直線往復運動，因 此鉆進精度大大提高，并且可以對管柱施加推力，非常有利于鉆淺層的斜井或
水平井；作為修井機使用時，可進行近地面的套銑作業(yè)。
5、 便于配套自動化裝置，實現(xiàn)操作的自動化，特別是井口作業(yè)的自動化。 減輕工人的勞動強度，提高了安全性和工作效率。
6、 與現(xiàn)有鉆機相比，降低了制造和使用成本。
7、 可廣泛應用于車載鉆機、修井機、陸地鉆機、海洋鉆機。 四

圖1為齒輪齒條起升式鉆機的整體主視結構圖。
圖2為圖1的俯視圖。
圖3為起下裝置部分結構放大圖。
圖4為鉆桿移運裝置部分結構放大圖。
圖5為圖4的右視圖。
圖6為圖1中虛線部分局部放大圖。
圖7為圖6的A-A橫向截面圖。
圖8為抓手部分的結構放大圖。
圖中，l是起下裝置，2是吊環(huán)，3是吊卡，4是井架，5是導軌，6是齒條， 7是上卸扣機構，8是卡盤，9是操控裝置(操控室)，IO是操作臺，ll是支梁， 12是底座，13是鉆桿移送裝置，14是液壓或氣動基站(液壓機或氣動機)，15 是主體面板，16是頂部驅動頭，17是馬達，18是剎車機構，19是前滾輪19，20是齒輪，21是后滾輪，22是起升液缸(氣缸)，23是起升臂，24是下支撐架， 25是鉤子，26是抓手，27是鉆桿，28是液(氣)壓缸，29是抓手液(氣)壓 缸。
五具體實施例方式
參見圖1和圖2，井架4底部豎直固定在底座12上，兩個齒條6和導軌分 別對稱平行的固定在井架4的兩側，起下裝置l (連同其吊環(huán)2和吊卡3)沿齒 條6和導軌5作上下往復運動。支梁11固定在底座12上，其上端安裝操作臺 10。操作控制室9放置在鉆臺IO上遠離井架的一側。液壓上卸扣機構7、液壓 卡盤8放置于鉆臺上靠進井口的位置。在底座12的一側設置14是液壓驅動機 構，另一側設置鉆桿移送裝置13。
參見圖3、圖6和圖7，起下裝置1包括主體面板15、頂部驅動頭16、小 馬達17、剎車機構18、前滾輪19、齒輪20、后滾輪21和吊環(huán)2、吊卡3。剎 車機構18安裝在上下馬達17之間，將它們整體固定于主體面板15上，主體面 板15上有通孔，左右對稱的四個馬達17的軸分別穿過通孔至另一側，在伸出 的軸上安裝齒輪20，齒輪20與井架4上的左右齒條6配合。主體面板15的兩 側各安裝兩個前滾輪19與兩齒條6的側面滾動配合。四個左右對稱的后滾輪21 通過連接板安裝在主體面板15的內端面，并與導軌5內側面形成滾動配合。馬 達17轉動時，就可以驅動齒輪20沿齒條6做往復移動，并且依靠剎車系統(tǒng)14 控制齒輪20的轉動，從而可以使起下裝置1停在井架4上任意高度處。頂部驅 動頭16固定在主體面板15的中央。同時，起下裝置1還在左右兩側各安裝一 個吊環(huán)2，兩吊環(huán)2下部懸掛一個吊卡3，起下鉆桿時通過液壓控制吊卡3的自動開合來實現(xiàn)鉆桿高位或低位的無人摘掛操作。
參見圖4 、 5和圖8，鉆桿移送裝置包括起升液缸22、起升臂23、下支撐 架24、鉤子25、抓手26、液壓缸28和抓手液壓缸29。起升液缸22—端鉸接 在底座12上，另一端鉸接在起升臂23上。起升臂23的內端鉸接在底座12上， 外端平躺在兩個一前一后平行布置的下支撐架24上。抓手通過連桿26 —前一 后安裝在起升臂23上，其內部安裝抓手液壓缸29來實現(xiàn)張開和關閉動作。鉤 子25安裝于下支撐架24的左右兩側，液壓缸28 —端鉸接在下支撐架24上， 另一端連接鉤子25，通過伸縮帶動鉤子25上下擺動，并將地面(或鉆桿架)的 鉆桿27滾至抓手26上。圖1中右側虛線部分表示鉆桿移運裝置13將鉆桿由地 面舉升到鉆臺10上時，鉆桿位于井口中心線上方。上述頂部驅動頭、馬達、所 有液壓缸的動力源全部通過放置于地面上靠近井架4 一側的液壓驅動機構14提 供，并通過操控室進行操作。
補充說明井架4設計成網格結構或方箱型立柱結構，用于安裝齒條和導 軌，并承受垂直方向載荷以及下壓或上提管柱時產生的彎曲載荷。導軌是槽型 結構，滾輪可以在其內部沿一側的壁滾動，它分為兩部分，對稱并垂直的安裝 在井架的兩側。齒條為普通梯形齒齒條，也分兩部分，對稱并垂直的安裝在井 架的兩側，每一側的齒條與同側的導軌保持平行且等距，齒條和導軌的長度都 大于一根普通鉆桿的長度。頂部驅動頭是一種既能夠驅動管柱旋轉又能夠循環(huán) 鉆井泥衆(zhòng)的裝置，它的動力來自于其內部的液壓馬達。剎車系統(tǒng)用來控制馬達 轉速，可設計安裝在馬達下部的動力輸出軸上，每個馬達均安裝一個剎車系統(tǒng)。 前滾輪能夠在齒條側面滾動，后滾輪在導軌內側滾動，他們共同進行整個起下裝置的限位和導向，保證了整個起下裝置能夠垂直上下移動。
上述實施例中主要圍繞液壓驅動方式進行說明，采用氣動驅動方式也是本 發(fā)明的方式之一，具有同樣的效果和作用。例如吊卡可選用江蘇如東石油機 械有限公司QD系列的液壓(氣動)吊卡?？ūP可選用江蘇如東石油機械有限公 司JSQW系列的氣動鉆桿卡瓦。液壓上卸扣機構可選用江蘇如東石油機械有限 公司ZQ系列的鉆桿動力鉗。
工作過程簡述起升臂23處于水平位置，抓手26張開，鉤子25上擺將鉆 桿27滾入抓手26內，抓手26閉合。起升液缸22伸長舉升起升臂23，起升90 度后鉆桿27恰處于井口上方，起下裝置1沿齒條6及導軌5從井架4最上部下 移，與鉆桿27上接頭對接后，吊卡3張開，鉆桿27處于吊卡3的內部時，吊 卡6閉合，同時抓手26張開，起升臂23回到水平位置準備起升下一根鉆桿。 起下裝置1與連接的鉆桿27繼續(xù)下移，鉆桿27的下接頭與井口的鉆桿接頭接 觸并對中后，移動液壓上卸扣機構7對鉆桿27進行上扣對接。對接完畢后上提 一小段，待井口處卡瓦張開后，鉆進開始。如需下壓時，起下裝置1繼續(xù)下移 下放鉆桿并為鉆桿下壓施加動力。鉆桿27的從井中起出的過程與上述過程相反。
8
權利要求
1、一種齒輪齒條起升式鉆機，包括井架主體、底座、起下裝置、鉆桿移運裝置、卡盤、上卸扣機構、操作臺和操控裝置，其特征在于所述的井架主體包括垂直鏈接于底座上方的井架以及對稱設置在井架同一側的兩條齒條和導軌；起下裝置包括主體面板、裝置在主體面板上的頂部驅動頭、設置在頂部驅動頭下方的吊卡以及設置在主動面板上的驅動馬達和滾輪，其中驅動馬達與齒輪聯(lián)動后與井架上的齒條配合，滾輪與井架上的導軌配合；所述的鉆桿移運裝置包括內端與底座鉸鏈的起升臂、支撐起升臂升降的起升缸和設置在起升臂外端部的鉆桿抓取機構。
2、 根據權利要求1所述的齒輪齒條起升式鉆機，其特征在于所述的起 下裝置還包括裝置在主體面板上的剎車機構，其驅動馬達為左右對稱分布的兩 個或四個，與之配套的齒輪也為兩個或四個，滾輪為前后對稱的兩組，前滾輪 由上、下滾輪作用在導軌的外側面，后滾輪由上、下滾輪作用在導軌內；所述 的鉆桿抓取機構是包括平行固定在起升臂外端部的前、后抓手和驅動抓手的驅 動桿，在外端部的升降臂下部設有底部支撐架，該底部支撐架的一側或兩側通 過驅動桿鉸鏈有鉤子。
3、 根據權利要求1或2所述的齒輪齒條起升式鉆機，其特征在于所述 的上卸扣機構、卡盤、吊卡和起升缸、驅動桿均為液壓或氣動驅動結構，所述 的驅動馬達為液壓驅動馬達、氣動馬達或電動驅動馬達。
4、 根據權利要求3所述的齒輪齒條起升式鉆機，其特征在于所述的操 作臺固定在井架中下部，操控裝置安裝在臺面的外側邊，臺面的中間預留有與 升降臂配合的長槽口。
全文摘要
本發(fā)明涉及石油鉆機設備技術領域，特別是一種齒輪齒條起升式鉆機。包括井架主體、底座、起下裝置、鉆桿移運裝置、卡盤、上卸扣機構、操作臺和操控裝置。井架主體包括垂直鏈接于底座上方的井架以及對稱設置在井架同一側的兩條齒條和導軌；起下裝置包括主體面板、裝置在主體面板上的頂部驅動頭、設置在頂部驅動頭下方的吊卡以及設置在主動面板上的驅動馬達和滾輪，其中驅動馬達與齒輪聯(lián)動后與井架上的齒條配合，滾輪與井架上的導軌配合；鉆桿移運裝置包括內端與底座鉸鏈的起升臂、支撐起升臂升降的起升液缸和設置在起升臂外端部的鉆桿抓取機構。本發(fā)明簡化了鉆機的結構，便于安裝和移運，維護費用低，壽命長，便于配套自動化裝置，應用廣泛。
文檔編號E21B7/00GK101666208SQ20091001838
公開日2010年3月10日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權日2009年9月18日
發(fā)明者磊 劉, 杜振華, 憲 楊, 楊玉生, 楊紅偉, 濤 王, 王運安, 高仕偉 申請人:山東勝利石油石化裝備研究中心;山東科瑞機械制造有限公司