齿轮齿条式钻柱升沉补偿装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种齿轮齿条式钻柱升沉补偿装置，包括上夹持机构和下夹持机构，上夹持机构向上与游车固定连接，上夹持机构左右两边对称固定安装有一个补偿缸，每侧的补偿缸向上伸出的活塞杆端头均设置有一个链轮体，上夹持机构下表面中心位置向下连接有中间齿条；下夹持机构向下与钻杆连接，下夹持机构左右两边向上对称安装有竖直导轨，该两个竖直导轨中安装有多对齿轮，所有的齿轮均与中间齿条啮合连接，该两个竖直导轨的上端分别连接有一根链条，每根链条绕过各自一侧的链轮体后与该侧的补偿缸缸体连接。本实用新型的装置，既方便了对齿轮的整体控制、润滑、维护和更换，增强了安全性。
【专利说明】
齿轮齿条式钻柱升沉补偿装置
技术领域
[0001]本实用新型属于机械设备技术领域，涉及一种齿轮齿条式钻柱升沉补偿装置。
【背景技术】
[0002]钻柱升沉补偿装置是深海钻井系统的重要设备之一，由于波浪的作用，深海钻井所采用的钻井船或者浮式钻井平台将产生周期性的升沉运动，并使钻柱上下往复运动，弓丨起井底钻压的变化，甚至使钻头脱离井底，影响钻进的效率，降低钻头和钻杆寿命，产生操作的安全隐患，甚至导致无法钻进和被迫停工，造成重大经济损失。因此，为了减少停工期，降低钻井成本，浮式钻井平台或钻井船必须对钻柱升沉运动采取适当的补偿措施。
[0003]目前升沉补偿系统按照其动力提供方式，可分为主动式、半主动式、被动式补偿系统。主动式升沉补偿系统具有较好的补偿效果和较强的适应性，但由于钻杆重量大，上下往复运动频繁，因此补偿过程中会消耗大量的能量;被动式升沉补偿系统由于在补偿过程中基本不需要系统额外提供能量，而且系统简单，得到了较为广泛的应用，但是由于没有采用精确的控制策略，补偿精度不高，并且存在着一定的滞后现象;半主动式升沉补偿系统综合了主动、被动系统的优点，但是需要增设中间能量转换设备，系统结构较为复杂，而且随着钻柱重量的不断增大，仍然会消耗较多的能量。
[0004]另外，按照升沉补偿装置的安装位置，又可以分为天车补偿、游车补偿、死绳补偿和快绳补偿等几种形式。其中天车补偿的优点在于补偿装置固定，运动管线少;缺点在于井架重心高，负荷较大。游车补偿与天车补偿相反，重心低但运动管线较多。死绳补偿和快绳补偿的优点在于不增加井架的额外负荷，但钢丝绳工作条件恶劣，寿命降低。
[0005]现有的升沉补偿系统，均是靠液压缸的伸缩来进行升沉补偿，传动方式过于单一，有必要探索设计其他机械传动方式，来代替单一的液压驱动。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的是提供一种齿轮齿条式钻柱升沉补偿装置，解决了现有技术中以液压驱动方式为主，能量利用率不够、反应不灵敏、补偿效果不理想的问题。
[0007]本实用新型所采用的技术方案是一种齿轮齿条式钻柱升沉补偿装置，包括上夹持机构和下夹持机构，上夹持机构向上与游车固定连接，上夹持机构左右两边对称固定安装有一个补偿缸，每侧的补偿缸向上伸出的活塞杆端头均设置有一个链轮体，上夹持机构下表面中心位置向下连接有中间齿条;下夹持机构向下与钻杆连接，下夹持机构左右两边向上对称安装有竖直导轨，该两个竖直导轨中安装有多对齿轮，所有的齿轮均与中间齿条啮合连接，该两个竖直导轨的上端分别连接有一根链条，每根链条绕过各自一侧的链轮体后与该侧的补偿缸缸体连接。
[0008]本实用新型的齿轮齿条式钻柱升沉补偿装置，其特征还在于:
[0009]两个补偿缸均为单作用活塞缸，内腔上部为有杆腔，内腔下部为无杆腔，两个补偿缸有杆腔的油口均连接有单向阀，两个补偿缸无杆腔的油口同时与液控安全阀连通，液控安全阀再通过液压管路与多个气液蓄能器连通。
[OO1O]每个齿轮均设置有自己的机械锁紧机构。
[0011 ]本实用新型的有益效果是，具有以下优点:
[0012]I)增设带有润滑油路的竖直导轨
[0013]现有技术中的齿轮安装方式，彼此之间相互独立，不便于整体更换。本装置中将齿轮统一定位安装到带有润滑油路的导轨上，既方便了对齿轮的整体控制、润滑，又方便了后期的维护和更换。
[0014]2)增设液控安全阀，增强了被动补偿机构的安全和可靠性。
[0015]气液蓄能器具有很高的压缩能量，一旦大钩悬挂的钻柱脱落，大钩载荷急剧下降，如果不采取安全措施，补偿缸会以很高的速度升起，造成重大事故，增设液控安全阀，限制了回路中的最高工作压力，增强了安全性。
[0016]3)增设齿轮的机械锁紧机构
[0017]安装在导轨上每个齿轮的传动轴上的机械锁紧机构，使得装置不工作时，或者出现紧急情况时，在动力端输出轴锁死之后，抱紧齿轮传动轴，使其停止旋转。
【附图说明】
[0018]图1是本实用新型的结构不意图；
[0019]图2是本实用新型在波浪上升时的齿轮齿条主动补偿示意图；
[0020]图3是本实用新型在波浪下降时的齿轮齿条主动补偿示意图。
[0021]图中，1.游车，2.上夹持机构，3.链轮体，4.链条，5.补偿缸，6.齿轮，7.竖直导轨，
8.中间齿条，9.机械锁紧机构，10.下夹持机构，11.气液蓄能器，12.液压管路，13.液控安全阀，14.大钩，15.钻杆。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型进行详细说明。
[0023]如图1所示，本实用新型的结构是，包括上夹持机构2和下夹持机构10，上夹持机构2向上与游车I固定连接，上夹持机构2左右两边分别对称固定安装有一个补偿缸5，每侧的补偿缸5向上伸出的活塞杆端头均设置有一个链轮体3，上夹持机构2下表面对称中心位置向下固定连接有中间齿条8;下夹持机构10向下与钻杆14连接，下夹持机构10左右两边向上对称安装有刚性的带润滑油路的竖直导轨7，该两个竖直导轨7中左右一一对应安装有多对齿轮6(图1、图2、图3实施例中显示的均是三对齿轮6，可以根据实际需要增减)，所有的齿轮6均与中间齿条8啮合连接，每个齿轮6均设置有自己的机械锁紧机构9，该两个竖直导轨7的上端分别连接有一根链条4，每根链条4绕过各自一侧的链轮体3后与该侧的补偿缸5缸体固定连接(即补偿缸5的缸体作为链条4的固定端，两个竖直导轨7作为每根链条4的活动端)；
[0024]两个补偿缸5均为单作用活塞缸，内腔上部为有杆腔，内腔下部为无杆腔，两个补偿缸5有杆腔的油口均连接有单向阀，两个补偿缸5无杆腔的油口同时与液控安全阀13连通，液控安全阀13再通过液压管路12与多个气液蓄能器11连通。
[0025]每个齿轮6通过各自的传动轴安装在竖直导轨7上，所有齿轮6的传动轴有两种驱动方式，即由液压栗通过液压马达驱动或者由变频器通过变频电机驱动，所有齿轮6共同啮合传动中间齿条8，带动游车I上下移动。
[0026]上述的两个补偿缸5、液控安全阀13、气液蓄能器11一起称为被动补偿机构;两侧的链轮体3、链条4 一起称为增程机构;左右对称的各对齿轮6及其机械锁紧机构9、两个竖直导轨7、中间齿条8—起称为齿条齿轮主动补偿机构。
[0027]本实用新型的工作过程分为游车被动补偿和齿轮齿条的主动补偿，下面分别阐述其工作原理。
[0028]第一，游车被动补偿的工作原理
[0029]参照图1，补偿缸5的无杆腔承受钻杆14所有的载荷。当浮式平台钻井船随波浪下降时，由于浮式平台钻井船浮力增大，浮式平台钻井船自身重力不变，钻杆14载荷减小，补偿缸5的下腔压力减小，气液蓄能器11气体膨胀，导致补偿缸5活塞杆向上伸出，通过增程机构，获得两倍的伸出位移。链条4带动竖直导轨7向上移动，下夹持机构10带动钻杆14向上移动。
[0030]同理，当浮式平台钻井船随波浪上升时，由于浮式平台钻井船浮力降低，浮式平台钻井船自身重力不变，下夹持机构10载荷增大，补偿缸5的下腔压力增大，气液蓄能器11气体被压缩，补偿缸5的活塞杆向下缩回，链条4带动导轨7向下移动，下夹持机构10带动钻杆14向下移动。
[0031 ]总之，当浮式平台钻井船上升时，气液蓄能器11内的气体进一步被压缩以补偿上升位移并储存能量；当浮式平台钻井船下沉时，气液蓄能器11内的气体膨胀以补偿下沉位移，储存的能量被释放。可以看出，被动式升沉补偿系统相当于是一个空气或液压空气弹簧，依靠海浪的举升力和浮式平台钻井船自身的重力来压缩和释放气液蓄能器11中的压缩空气，从而实现升沉补偿。
[0032]第二，齿轮齿条主动补偿的工作原理
[0033]图2、图3中虚线箭头代表浮式平台钻井船随波浪上升、下降;实线箭头代表各对象的移动方向或者旋转方向，
[0034]如图2所示，当浮式平台钻井船随波浪向上移动时，虚线箭头向上。各个齿轮6在传动轴的驱动下，左侧的各个齿轮6—起逆时针旋转，右侧的齿轮6—起顺时针旋转，通过与游车下方的中间齿条8啮合传动，两侧的导轨7同时向下移动，并通过下夹持机构10带动钻杆14向下移动。
[0035]如图3所示，当浮式平台钻井船随波浪向下移动时，虚线箭头向下。各个齿轮6在传动轴的驱动下，左侧的齿轮6—起顺时针旋转，右侧的齿轮6—起逆时针旋转，通过与游车下方的中间齿条8啮合传动，两侧的导轨7同时向上移动，并通过下夹持机构10带动钻杆14向上移动。同时在补偿过程中，导轨8中的润滑油路可以对齿轮进行润滑。
[0036]上述两种主动补偿方式，实质是将齿轮6和中间齿条8的啮合传动，转换为导轨7带动钻杆14进行上下运动，进而转换为钻杆14相对于浮式平台钻井船的位移，进行升沉运动的主动补偿。
[0037]本实用新型采用齿轮齿条啮合的传动方式，代替单一的液压驱动，提高了补偿系统的稳定性、适应性和可靠性。
【主权项】
1.一种齿轮齿条式钻柱升沉补偿装置，其特征在于:包括上夹持机构(2)和下夹持机构(10),上夹持机构(2)向上与游车(I)固定连接，上夹持机构(2)左右两边对称固定安装有一个补偿缸(5)，每侧的补偿缸(5)向上伸出的活塞杆端头均设置有一个链轮体(3)，上夹持机构(2)下表面中心位置向下连接有中间齿条(8);下夹持机构(10)向下与钻杆(14)连接，下夹持机构(10)左右两边向上对称安装有竖直导轨(7)，该两个竖直导轨(7)中安装有多对齿轮(6)，所有的齿轮(6)均与中间齿条(8)啮合连接，该两个竖直导轨(7)的上端分别连接有一根链条(4)，每根链条(4)绕过各自一侧的链轮体(3)后与该侧的补偿缸(5)缸体固定连接。2.根据权利要求1所述的齿轮齿条式钻柱升沉补偿装置，其特征在于:所述的两个补偿缸(5)均为单作用活塞缸，内腔上部为有杆腔，内腔下部为无杆腔，两个补偿缸(5)有杆腔的油口均连接有单向阀，两个补偿缸(5)无杆腔的油口同时与液控安全阀(I3)连通，液控安全阀(13)再通过液压管路(12)与多个气液蓄能器(11)连通。3.根据权利要求1所述的齿轮齿条式钻柱升沉补偿装置，其特征在于:所述的每个齿轮(6)均设置有自己的机械锁紧机构(9)。
【文档编号】E21B19/09GK205605141SQ201620327892
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月19日
【发明人】何庆, 王定亚, 于兴军, 段武, 王议
【申请人】宝鸡石油机械有限责任公司