专利名称：高压开孔设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及在管道的开孔中使用的高压开孔设备。
在管道中开孔使用开孔机是已知的。现有的名为“开孔设备”的美国专利3,614,252，名为“水下开孔机”的美国专利4,579,484和名为“完井机”的美国专利4,880,028是这种装置的例子。这些先已颁发的美国专利的内容通过引用而结合到本发明中。
已有的专利说明并描述，用于在不中断通过管道传输的气体和液体的压力情况下在管道内开孔的技术。虽然如下所描述的基本操作与前述的仍然相同，本发明在如下描述的几个方面改善了操作，其增加了开孔设备的操作范围并提供能效速度控制。
在管道壁上开孔是困难并花费时间的，并且需要设计和建造得良好的开孔设备，它必须经受在压力下切通很厚的钢板的严峻条件。已知，来自管道的压力作用在开孔设备上，这样由于增加跨越设备内部工作机构上的操作负荷而降低了切削率。在开孔设备上增加的磨损降低了它的效率和使用寿命。本发明的开孔设备能够在切入存在高压力的管道时工作更有效率且更有效。
现有的开孔设备在它们高管道压力下的性能上不足。管道压力作用在开孔设备的钻杆的突前区域，并在跨越设备的进给螺杆和螺母上产生一个负荷。进给螺杆机构是将一个钻切钻头进给到管道中的主要装置。增加跨越进给螺杆上的载荷，需要更高的输入扭矩来驱动设备。更高的负荷导致开孔设备的整个结构部件上应力的增加。并最终将导致过早失效。
本发明的目的是提供一种开孔设备，它可降低跨越进给螺杆上的工作负荷，并因此而降低了在较高管道压力下所需操作开孔设备的扭矩的量。本发明目的的完成是通过使用开孔设备体内的液压动力、气压动力或者甚至存在的管道气体压力或类似的压力。所提供的压力作用在钻杆的突前区域并在进给螺杆、螺母和相应的推力轴承上产生一个负荷。这个负荷抵消了来自管道释出的抵抗压力，它降低了所需运行设备的总的输入扭矩。由此也降低了通常施加到整个结构部件上的应力，所以降低了关键部件的过早失效。
本发明的另一个目的是提供一种更高能效的速度控制。目前的钻杆的旋转速度是由动力装置中泵轴速度来控制的。这种方法存在两个主要问题(1)操作者必须通过调节动力装置的速度来调节旋转切削速度；(2)在较低的钻切速度下，动力装置的发动机可能不处于最佳状态，来产生穿透管道的所需足够扭矩。
本发明使用了一个负荷感应泵和回路，它设定并保持旋转切削速度在一个基本固定的速度上，而与发动机速度无关。这种类型的压力感应泵在需要操作负荷的压力和泵输出端的压力之间保持一个固定的压力差。因此，流量与压力控制阀的开口成比例，而与泵杆的速度无关。
本发明的这些和其它目的、优点和特性，通过对包括说明书、附图和权利要求书的申请文本的研究，使本领域的技术人员对其的理解能更加清楚。
图1A和1B为使用本发明原则的开孔设备的部分横剖外视图；图2为开孔设备的液压系统的示意图，它表示在开孔操作中由设备执行的各种操作的液压流体的流程。
参考附图，图1A和1B为本发明的热开孔设备的部分剖面图。将开孔机连接到管道的方法是已知的。先前发表的名为“完井机”的专利号为4,880,028的美国专利是这种连接的例子。该先前发表的美国专利的内容通过引用而结合到本发明中。这种装置的详细描述见图1A、1B和美国专利4,880,028的第三栏10～31行。
首先参考图1A和1B，由数字10总称一个热开孔设备。该设备包括一个下管形件12、一个管子容纳件14、一个套管部分16、一个传动装置容纳部分18和一个切削部分19。一个驱动管20同心设置在容纳件14和管形件12内并与其同轴。钻杆22同心设置在驱动管20内并与其同轴。进给螺杆机构24同心设置在钻杆22内并与其同轴。
当需要开孔的管道在其内部有流体压力时，该流体压力将会在开孔设备的部件上产生流体压力。当切削部分19切削进一个需要开孔的管道(未示出)时，管道的压力向上作用到钻杆22和进给螺杆机构24的下端。当一个连接在切削部分19上的切削器(未示出)切削进管壁(未示出)时，该管压抵抗了钻杆和进给螺杆向下的力。当在钻杆22和进给螺杆24上施加足够的力以使之旋转时，管件驱动件27的内螺纹25与进给螺杆上的外螺纹23啮合以便轴向地推进钻杆22。而在管道中的流体压力作用在进给螺杆上，并因此而需要附加扭矩以旋转进给螺杆。
已知典型的开孔设备不包括任何流体或油。然而，在本发明中，在开孔设备内置有流体，用以降低由管道压力引起的在例如钻杆和进给螺杆这样的设备部件上的负荷。在一个需要开孔的管道内的流体压力通常用以提供一个液压信号，即用以在开孔设备的各部件上施加液压来抵消向上的管压。在部件上负荷的降低是通过平衡跨越例如钻杆和给进螺杆之类的部件上的压力来获得，负荷的降低可以使开孔机器的运行更有效率且更有效。
下管形件12具有一个下端28，其外形使之可以连到一个孔塞(未示出)，而孔塞又连接到需要开孔的管道(未示出)上。下端28具有一个容纳钻杆22的管形开口30和一个与通道32相连的小直径孔34。在孔34上的来自需要开孔的管道的流体压力通过通道32传送到开口40，开口40容纳了一个与感应装置54(见图2)相连接的通道41。感应装置54感应在孔34上管道压力的量，并通过打开或关闭在检测装置中流体通路，来调节压力下的流体到套管部分16(图1A)中开口62的流动。
从感应装置54进入开口62的经调节流体，渗入驱动轴承64并流过与一个存储区域68相连的通道66。在存储区域68中的调节流体对进给螺杆机构24和钻杆22施加一个向下的压力，并帮助平衡施加在轴承64上的张力。
经调节的流体还从存储区68进入纵向通道70，通道70位于驱动管20的内边壁72和钻杆22的外边壁74之间。在通道70中的调节流体与通道102相连，以便允许调节流体的压力进入区域69。在区域69中的流体压力帮助抵消施加在钻杆22上的向上的流体管道的压力。这样也降低了螺杆进给负荷并由此而降低了操作进给螺杆来推进钻杆的所需扭矩。
如图2所示，在管形区域84中的压力通过开口80和第二开口79释放到一个液压流体槽。
参照图2，泵108提供用于在开孔设备的容纳件14的内部保持压力的液压流体压力，该压力施加到开口62上。通过通道41，将压力作用到感应装置54上。一旦切削器(未示出)穿透管道，则感应器54的位置由被开孔的管道内的压力来控制。该管道压力通过通道41从开口40引出使控制感应器54的位置。
感应装置54具有三个由跨越在设备上的压力差动而控制的位置。当在开口40和62上的压力相同时，感应装置54在中间位置并且没有来自泵108的压力施加到开孔设备上。当在开口40上的压力超过象在开口62上显示的开孔设备内的压力时，感应装置转换位置以便将来自泵108的压力加到开口62上。当该压力等于管道内部的压力，如在开口40所显示的，感应装置54转换到中间位置或关闭位置。当在开孔设备内的压力超过在开口40上的压力(在管道被切穿后管道的压力)时，感应装置54回到如图所示的位置，在这里开口62与一个储液槽36相连，由此而从开孔设备中排出液体。当在开口40和62上的压力又平衡时，感应装置返回到中间位置。这样，感应装置54自动调节了在开孔设备的内部压力，来平衡施加在钻杆上的液力。这意味着，在钻进过程中进给螺杆不必抵消由管道压力引起的压力。
检测阀120可在使用开孔设备前手动压下，以便通过导管60和79将来自泵108的液体压力施加到开孔设备的内部以便检测密封是否漏泄。另外，阀120并不包括在该开孔设备的自动压力平衡特点之中。
泵122施加压力来驱动用于旋转钻杆22的液压马达104和驱动用于旋转驱动齿轮系机构109、110、100(见图1A)的液压马达106，其用于旋转进给螺杆24。
钻杆的旋转是通过手柄46手动定位阀44来控制的。液压马达104的一边总是与储液槽36连接的。在图示的阀44的位置中，马达104的两边均与储液槽36相连，所以马达104不驱动。然而，当按下手柄46使阀44移到最右边位置时，来自泵122的液体压力施加到马达104，驱动杆104A来旋转一个蜗轮装置104B，蜗轮装置104B依次旋转传动机构98(见图1A)和钻杆22。钻杆的旋转速度是通过操作者控制阀44的位置来控制的。
阀48控制马达106的旋转方向并由此而控制进给螺杆24的旋转方向和速度，阀48的位置是通过手动的手柄50的位置来控制的。驱动螺杆的旋转速度控制了钻杆的前进或后退。这就是说，当进给螺杆24比钻杆22转得快时，钻杆前进。当进给螺杆24比钻杆22转得慢时，钻杆后退。更具体地说，使用了一个环链式驱动来旋转位于钻杆22内的进给螺杆24。进给螺杆上的螺纹与钻杆啮合，并且都随着液压驱动马达和环链式组件转动。使用环链式驱动是为了使进给螺杆比钻杆转动的稍微快一些。在两者之间的速度差动可使进给螺杆进给或退回。
阀44和48不是快速联结的，但却是在它们内部通道的开口中不断变化的。当操作者调节这些阀时(独立并且不是同时地)，将来自泵122的流体压力分别送到液压马达104和106上。施加到这些马达上的流体压力通过通道109送回到泵122的流动控制机构。泵122流体控制机构，在流体动力工业中普遍知道为压力感应型控制机构，它调节泵的输出流量来使其输出的压力和通道169中的压力保持固定的压差。当阀44或48进一步打开时，泵122提供更多的流体以保持固定的压差。因此，马达104和106的变化速度的控制可单独由泵122的轴转速来获得，而且仅仅提供需要旋转液压马达104和106的压力。
如上所述，该开孔设备是一种能在已有的管道上钻进一个孔的机器。一个齿轮，链轮和进给螺杆的驱动齿轮系提供了旋转和推进切削钻头所需的机械作用。
当开孔完成时，在驱动齿轮系中的一个接合器脱开，并且通过操纵进给马达106可使钻杆伸展或缩回，进给马达仅转动进给螺杆24并快速伸出或缩回钻杆22。
开孔设备的操作是由管道被穿透时管道中的压力来限制的。该压力作用在钻杆的突出区域并在进给螺杆和相应的推力轴承上产生一个负荷。须要通过进给马达对进给螺杆施加足够的扭矩，来克服伸展或缩回钻杆的负荷以操作。这种限制因素变成了来自进给马达的有用扭矩，以便通过在钻杆中施加液压来操作开孔设备而来自管道的压力的抵抗力受到抵消。这样，降低了进给螺杆的负荷并随之降低了在最大的管道压力来操作开孔设备所需的扭矩。进给螺杆和液力辅助钻杆的组合产生了一种开孔设备，它使用液压来提供操作推力而进给螺杆，则用以机械地控制钻杆和切削器的推进速度。
通过各种液压密封将液体压力限制在设备体内。密封的关键性放置和大小可以降低在各种轴承上的负荷。负荷的减小，可以使开孔设备在使用与现有设备相同或较小的部件条件下，在更高的管道压力下工作。
在开孔设备内的压力是由一个压力源108提供的。如前所述，通过使用压力控制阀54来控制该压力，压力控制阀54根据在开孔装置容器的低端上的开口34所检测的管道压力，来调节开孔设备的压力。
通过使用一个特殊的负荷传感泵122和液压回路，能够以一个固定的和与驱动泵的速度无关的预定速度来设定并保持旋转切削速度。这种类型的负荷传感泵在所需操作负荷的压力与泵输出端的压力之间保持了一个固定的压力差动。流体的流动与控制阀的打开成比例，而不管泵轴的速度。
这样，从上面的描述可以看出，本发明的设备对在被开孔的管道中的压力提供了一个抵消力，该抵消力是通过向开孔设备中的突前区域提供流体压力来产生的，用来对抗钻杆的突前区域受到的管道的压力。这样，生成了一个与由管道压力在钻杆上生成的负荷方向相反的负荷。
权利要求和说明书描述了本发明，而且在权利要求书中使用的术语从在说明书中使用该术语中得出它们的意义。在现有技术中使用的相同术语可能比在这里描述的术语具有更宽的意义。只要在在现有技术中使用的具有更广泛意义的这种术语和这里更特殊使用的术语之间发生问题时，则是指更特殊的意义。
虽然对本发明进行了一定程度的具体描述，显然，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可对具体结构和部件的布置进行变化。本发明不限于在这里用于举例目的而描述的实施例，它仅由附带的权利要求的范围所限定，包括与在其中定义的每个元素等价的全部范围。
权利要求
1.一种用于在内部高压下对一个已有的管道或类似物开孔的设备，它包括一个长形的开孔机体，它在下端上有一个装置，用于连接到需要开孔的管道上；一个纵向置于开孔设备中并绕纵轴旋转的进给螺杆；一个连接到进给螺杆的钻杆，用于在进给螺杆和钻杆相对旋转时，该进给螺杆相对于钻杆作轴向运动，该钻杆具有用于连接一个切削器的装置，使得该切削器通过钻杆的旋转和移动来进入和退出与管道的接合；用于旋转所述进给螺杆的装置；一个用于旋转所述钻杆的装置，以便当所述钻杆移动而与管道接合时，通过所述进给螺杆和钻杆相对旋转来，对管道开孔；用于感应管道压力的装置；根据所述管道的压力来控制所述开孔机器体内液压流体压力的装置，以便至少部分地平衡施加在所述钻杆上的力；和用于控制所述进给螺杆和钻杆的旋转速度的装置。
2.如权利要求1的设备，其特征在于所述钻杆是具有一个沿中心纵向延伸开口的管形体，所述进给螺杆在其中延伸。
3.一种用于向一个已有的管道或类似物中开孔的设备，它包括一个带钻杆的长形开孔机体，该钻杆具有容纳一个切削器的装置，该钻杆可轴向移动以便将切削器移入和移出与管道的接合；用于轴向移动所述钻杆的装置；用于感应管道液体压力的装置；和响应所述管道的液体压力来控制所述开孔设备内的液体压力的装置，以便在钻切操作中至少部分地平衡施加到钻杆上的力。
4.如权利要求3的设备，其特征在于所述响应所述管道液体压力的装置是一个压力驱动阀，它响应于管道和所述开孔设备体内部之间的压差。
全文摘要
一种在管道内部压力下对一个已有管道开孔的设备。它包括一个细长的开孔设备体，开孔设备体在一端上具有用于连接到管道上的装置，一个具有一个可旋转的进给螺杆的钻杆，通过该进给螺杆将该钻杆轴向设置，一个通过在管道内部和开孔设备体内之间的压差来驱动的压力感应阀，以便控制开孔设备体内的液体压力，并由此抵消施加到钻杆上的液体压力。
文档编号B23B41/00GK1125650SQ9510455
公开日1996年7月3日 申请日期1995年3月30日 优先权日1994年3月31日
发明者B·D·安德鲁, W·D·杜韦, M·L·威尔逊 申请人:Tdw特拉华公司