多管径单液压顶驱背钳及其夹持工艺的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种多管径单液压顶驱背钳及其夹持工艺。其技术方案是：杠杆通过轴装配于背钳主体，所述的杠杆由杠杆左端、杠杆体、约束带、牙块组成；液压动力包括液压缸、液压活塞杆、弧形蹄片，液压活塞杆下端穿过背钳主体上预留孔后安装上弧形蹄片，使弧形蹄片位于杠杆左端正上方，所述在液压活塞杆下行时弧形蹄片与杠杆左端接触，并推动杠杆左端向下运动，整个杠杆绕轴旋转，杠杆下端推动钻杆向右运动。本发明优点在于故障率低，使用寿命长，结构简单，重量轻，制造成本低。对钻杆的包络角度大，能够对所夹钻杆进行一定的矫圆作用，使有一定变形的钻杆上卸扣更顺利。夹紧部分运用柔性和刚性夹紧，能够灵活实现对不同的管径的紧密，夹紧性能好。
【专利说明】多管径单液压顶驱背钳及其夹持工艺【技术领域】
[0001]本发明涉及一种石油机械领域，特别涉及一种多管径单液压顶驱背钳及其夹持工艺。
【背景技术】
[0002]顶部驱动钻井系统是先进钻井装备的代表，拥有广阔的前景。顶驱具有自动化程度高、处理事故能力强的优点。其最大的优势是能够在井架的任何高度进行上卸扣作业，实现立根钻进，钻井速度高。顶驱接立根必须进行钻杆上卸扣作业，这个过程需要频繁使用的机构就是背钳。背钳承受上卸扣的交变应力，因而要求背钳结构疲劳性能好。由于钻井时间成本昂贵，背钳必须功能健全且故障率低。
[0003]现有背钳可以分为环形背钳和侧挂式背钳两大类:
环形背钳，不需扶正机构就能自动对中。缺点是维护和保养不便，尤其是更换钳牙、保护短节或IBOP比较困难。往往需要拆除环形背钳才能对上述的零件进行更换。更换零件时，顶驱无法工作，耗费宝贵的作业时间。而且环形背钳体积庞大笨重，结构复杂，生产成本高。实际运用中存在复位困难的问题，故障率较高。[0004]侧挂式背钳，包括对开式和侧开式。这类背钳体积较小，重量较轻。但是现有的各项同类专利以及实物中，均采用竖直液压实现竖直运动，水平液压实现，即具有两个不同方向的液压设备，存在结构和功能的冗余。并且由于重心偏置，存在上扣对心困难和钻杆偏磨的问题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种多管径单液压顶驱背钳及其夹持工艺。
[0006]一种多管径单液压顶驱背钳，其技术方案是:包括背钳导轨、滚轮、背钳主体、液压动力、弹簧、杠杆、轴以及第一六棱柱牙块、第二六棱柱牙块，杠杆通过轴装配于背钳主体，所述的杠杆由杠杆左端、杠杆体、约束带、牙块组成，杠杠左端下表面由弹簧支撑，杠杆下端装有牙块，两个牙块之间由约束带连接，第一六棱柱牙块和第二六棱柱牙块分别装配在背钳主体右端预制的两个六棱柱孔中，且钻杆截面中心、第一六棱柱牙块和第二六棱柱牙块的截面中心连线成120度；
液压动力包括液压缸、液压活塞杆、弧形蹄片，液压活塞杆下端穿过背钳主体上预留孔后安装上弧形蹄片，使弧形蹄片位于杠杆左端正上方，所述在液压活塞杆下行时弧形蹄片与杠杆左端接触，并推动杠杆左端向下运动，整个杠杆绕轴旋转，杠杆下端推动钻杆向右运动，所述环形蹄片尺寸大于背钳主体上预留孔孔径，上提时能够带动整个背钳上移，背钳主体装配在背钳导轨上，通过滚轮上下移动。
[0007]上述的所述牙块、第一六棱柱牙块和第二六棱柱牙块由耐磨材料制成。
[0008]上述的杠杆左端长度为30~55cm,杠杆下端长度为30~45cm。[0009]上述的背钳主体预留与第一六棱柱牙块或第二六棱柱牙块配合的六棱形缺口，且两个六棱形缺口有两组四条边互相平行。
[0010]本发明提到的多管径单液压顶驱背钳的夹持工艺，钻杆上扣过程时，包括以下步骤:
第一步，准备阶段:
开始钻井之前根据不同管径，从背钳主体中提起第一六棱柱牙块和第二六棱柱牙块，旋转使工作面对着钻杆，每次变换钻杆管径后只需调整一次；
第二步，下行阶段，钻杆预夹紧:
液压缸正向充油增压，液压活塞杆、环形蹄片以及整个背钳主体向下刚性平移运动，背钳整体下移至背钳导轨最低端，使钻杆进入加紧区域，此过程中弹簧未受到压缩，只起到维持杠杆的位置作用；
第三步，夹紧钻杆:
液压活塞杆继续向下，环形蹄片推动杠杆左端向下运动，弹簧被压缩，同时杠杠开始绕轴旋转，杠杆下端的约束带接触钻杆并向右侧推，直至杠杆下端的约束带、牙块与六棱柱牙块配合夹紧钻杆；约束带、牙块的运动过程如下，当约束带完全包络钻杆时，约束带将两侧钳牙向中间拉动，钳牙接触到钻杆，推动钻杆与六棱柱牙块贴合，钻杆不圆度矫正，约束带的长度为9(Tl30Cm，同时具有柔性和刚性夹紧，共同约束钻杆的旋转，液压维持20-30秒；第四步，顶驱主轴钻转，拧紧钻杆和保护短节；
第五步，解除约束，放松钻杆:
上扣完成后，液压缸反向充油，液`压活塞杆和环形蹄片上行，弹簧使杠杆反方向旋转，杠杆下端夹持解除；
第六步，上行阶段，背钳复位:
待环形蹄片上行至背钳主体上侧预留孔后，整个背钳主体随着液压活塞杆向上移动离开钻杆工作区域；
卸扣的工作过程与此类似，只是主轴旋转方向不同，不再赘述。
[0011]本发明的有益效果是:本发明优点在于仅有一个竖直方向的液压缸，故障率低，使用寿命长，冬季不易发生结冻，结构简单，重量轻，制造成本低。对钻杆的包络角度大，能够对所夹钻杆进行一定的矫圆作用，使有一定变形的钻杆上卸扣更顺利。夹紧部分综合运用柔性和刚性夹紧，能够灵活实现对不同的管径的紧密，夹紧性能好。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明不含背钳导轨的背钳背钳主体示意图；
图2为背钳的正视图；
图3为背钳的俯视图；
图4为杠杠的示意图；
图5为六棱柱牙块的示意图；
图6是背钳夹持工艺过程的背钳准备阶段图；
图7是背钳夹持工艺过程的背钳主体下行阶段图；
图8是背钳夹持工艺过程的背钳主体到导轨底部图； 图9是背钳夹持工艺过程的背钳夹紧阶段图；
图10是背钳夹持工艺过程的背钳放松阶段图；
图11是背钳夹持工艺过程的背钳上行阶段图；
上图中:背钳导轨1、滚轮2、背钳主体3、液压动力4、弹簧5、杠杆6、轴7以及第一六棱柱牙块8、钻杆9、第二六棱柱牙块10 ；
液压缸4a、液压活塞杆4b、弧形蹄片4c ;杠杆左端6a、杠杆体6b、约束带6c、牙块6d。
【具体实施方式】
[0013]结合附图1-5，对本发明作进一步的描述:
一种多管径单液压顶驱背钳，其技术方案是:包括背钳导轨1、滚轮2、背钳主体3、液压动力4、弹簧5、杠杆6、轴7以及第一六棱柱牙块8、第二六棱柱牙块10，杠杆6通过轴7装配于背钳背钳主体3，所述的杠杆6由杠杆左端6a、杠杆体6b、约束带6c、牙块6d组成，杠杠左端6a下表面由弹簧5支撑，杠杆下端装有牙块6d，两个牙块之间由约束带6c连接，第一六棱柱牙块8和第二六棱柱牙块10分别装配在背钳主体3右端预制的两个六棱柱孔中，且钻杆9截面中心、第一六棱柱牙块8和第二六棱柱牙块10的截面中心连线成120度，两个六棱柱牙块距钻杆中心距离为6(T80cm。对不同管径的钻杆，约束带可以调整牙块间距。另外，杠杆左端为平板状，杠杆下端采用柔性的约束带和刚性的钳牙形成符合复合约束，其中约束带内含钢丝等的抗拉芯材。
[0014]液压动力4包括液压缸4a、液压活塞杆4b、弧形蹄片4c,液压活塞杆4b下端穿过背钳主体3上预留孔后安装上弧形蹄片4c，使弧形蹄片4c位于杠杆左端6a正上方，所述在液压活塞杆4b下行时弧形蹄片4c与杠杆左端6a接触，并推动杠杆左端6a向下运动，整个杠杆6绕轴7旋转，杠杆下端推动钻杆向右运动，所述环形蹄片4c尺寸大于背钳主体3上预留孔孔径，上提时能够带动整个背钳上移，背钳主体3装配在背钳导轨I上，通过滚轮2上下移动。
[0015]其中，所述牙块6d、第一六棱柱牙块8和第二六棱柱牙块10由耐磨材料制成。上述的杠杆左端6a长度为30?55cm,杠杆下端长度为30?45cm,约束带6c的长度为90?130cm。上述的背钳主体3预留与第一六棱柱牙块8或第二六棱柱牙块10配合的六棱形缺口，且两个六棱形缺口有两组四条边互相平行，六个棱根据各个不同的管径加工成相应的弧度，每次使用时只需要旋转到对应的棱拆卸相应部分，其余的棱仍保持原状。六个牙块的适用直径依此为:88.9mm, 139.7mm, 101.6mm, 137.92mm, 114.3mm, 127mm。
[0016]参照附图6-11，本发明提到的多管径单液压顶驱背钳的夹持工艺，其技术方案如下:钻杆上扣过程时，
第一步，准备阶段(如图6):
开始钻井之前根据不同管径，从背钳主体中提起第一六棱柱牙块8和第二六棱柱牙块10，旋转使工作面对着钻杆，每次变换钻杆管径后只需调整一次；
第二步，下行阶段，钻杆预夹紧(如图7、8):
液压缸4a正向充油增压，液压活塞杆4b、环形蹄片4c以及整个背钳主体3向下刚性平移运动，背钳整体下移至背钳导轨最低端，使钻杆进入加紧区域，此过程中弹簧5未受到压缩，只起到维持杠杆的位置作用；第三步，夹紧钻杆(如图9):
液压活塞杆4b继续向下，环形蹄片4c推动杠杆左端6a向下运动，弹簧5被压缩，同时杠杠6开始绕轴7旋转，杠杆下端的约束带6c接触钻杆并向右侧推，直至杠杆下端的约束带6c、牙块6d与六棱柱牙块配合夹紧钻杆9 ;约束带6c、牙块6d的运动过程如下，当约束带6c完全包络钻杆9时,约束带6c将两侧钳牙6d向中间拉动,钳牙6d接触到钻杆9,推动钻杆与六棱柱牙块贴合，钻杆不圆度矫正，约束带的长度为9(Tl30Cm，同时具有柔性和刚性夹紧，共同约束钻杆的旋转，液压维持20-30秒；
第四步，顶驱主轴钻转，拧紧钻杆和保护短节(与现有技术相同不再赘述);
第五步，解除约束，放松钻杆(如图10):
上扣完成后，液压缸4a反向充油，液压活塞杆4b和环形蹄片4c上行，弹簧5使杠杆6反方向旋转，杠杆下端夹持解除；
第六步，上行阶段，背钳复位(如图11):
待环形蹄片4c上行至背钳主体3上侧预留孔后，整个背钳主体随着液压活塞杆4b向上移动离开钻杆工作区域；
卸扣的工作过程与此类似，只是主轴旋转方向不同，不再赘述。
[0017]本发明的优点如下:
1、包络角度大，能够 对所加钻杆进行一定的校圆功能，对具有变形的钻杆有一定的适用性，延长钻杆的使用寿命。由于杠杆右侧的六棱柱不同齿形是针对不同规格的管径设计的，每个棱柱对钻杆的包络角都在80度以上，左端的复合约束包络角在100度以上，总包络角不小于260度；
2、柔性和刚性复合夹紧，夹紧性能好。杠杆6c和6d部分的设计，使约束带6c首先接触钻杆，随着推力的增加包络面也在增加，能够保障三部分钳牙同时达到最大夹紧力。既有柔性约束又有刚性约束，夹紧力更加均匀，夹持稳定性好。与传统的刚性夹紧相比，达到相同的夹紧效果需要的夹紧力更小。抵抗扭转性能良好，延长了钻杆的使用寿命；
3、结构简单，制造成本低。只有一个液压缸就实现了背钳的下行和夹紧两个不同方向上的动作，有效的避免了结构的冗余。整体结构简单，零件部件少。由于没有水平的液压设备，该背钳的重量大大降低，避免了钻杆偏磨现象。同时也简化了整体液压系统，降低了制造成本。背钳的故障率降低，可靠性大大提高；
4、能够自动对中。宽大的导轨保证了背钳主体处于水平位置。六棱柱牙块8部件(如图5所示)针对六种不同的管径加工出不同的环形口，保证了对于不同管径的钻杆都有较好的适应性，最大限度的保持面接触。而且六棱柱的位置和角度能够保证钻杆加紧后与上部保护短接在一条中心线上，实现了钻杆的自动对中；
5、磨损较小，无损伤于钻杆。左侧的约束带6c与钻杆的摩擦系数远远大于钳牙和钻杆之间的摩擦系数，与传统的刚性夹紧相比，达到相同的夹紧效果需要的夹紧力小，保护钻杆接箍，延长钻杆使用寿命；
6、日常维护方便。工作结束后背钳竖直方向活动空间大，为更换钳牙、保护短节或IBOP提供了比较大的作业空间。只需拆除滚轮2即可更换整个背钳。背钳竖直方向活动空间大能够免损伤钻杆；
7、能够灵活实现对不同的管径的紧密夹持。本设计左侧的夹紧部分有柔性约束带，能够针对不同管径灵活调整两个钳牙6d的间距，即自动适应不同的管径。通过旋转右侧的六棱柱牙块8，能够与不同管径产生针对性夹紧；
8、竖直的弹簧具有减震和上下浮动的功能。钻杆上卸扣的过程中，由于弹簧5的弹性作用，背钳在夹紧的钻杆的前提下，还能够灵活的提供一个竖直的浮动空间，弥补螺距带来的钻杆和顶驱主转轴的竖直方向的偏差；
9、液压缸寿命更长，冬季不易发生结冻现象。本设计只具有一个竖直液压缸，液压油的密封性更好。在背钳上卸扣工作过程中，不可避免的会有钻井液，甚至是岩屑洒落到背钳主体上，具有水平液压缸的背钳容易产生液压缸磨损严重，夏季工作容易漏油，冬季工作时容易结冻；
10、背钳导轨提供的抗扭转作用力大，背钳的宽度是钻杆直径的2?3倍，同时具有宽大的背钳导轨，具有较好的扭转作用性能。
【权利要求】
1.一种多管径单液压顶驱背钳，其特征是:包括背钳导轨(I)、滚轮(2)、背钳主体(3)、液压动力(4)、弹簧(5)、杠杆(6)、轴(7)以及第一六棱柱牙块(8)、第二六棱柱牙块(10)，杠杆(6)通过轴(7)装配于背钳背钳主体(3)，所述的杠杆(6)由杠杆左端(6a)、杠杆体(6b)、约束带(6c)、牙块(6d)组成，杠杠左端(6a)下表面由弹簧(5)支撑，杠杆下端装有牙块(6d)，两个牙块之间由约束带(6c)连接，第一六棱柱牙块(8)和第二六棱柱牙块(10)分别装配在背钳主体(3)右端预制的两个六棱柱孔中，且钻杆(9)截面中心、第一六棱柱牙块(8)和第二六棱柱牙块(10)的截面中心连线成120度； 液压动力(4)包括液压缸(4a)、液压活塞杆(4b)、弧形蹄片(4c)，液压活塞杆(4b)下端穿过背钳主体(3)上预留孔后安装上弧形蹄片(4c)，使弧形蹄片(4c)位于杠杆左端(6a)正上方，所述在液压活塞杆(4b )下行时弧形蹄片(4c )与杠杆左端(6a)接触，并推动杠杆左端(6a)向下运动，整个杠杆(6)绕轴(7)旋转，杠杆下端推动钻杆向右运动，所述环形蹄片(4c)尺寸大于背钳主体(3)上预留孔孔径，上提时能够带动整个背钳上移，背钳主体(3)装配在背钳导轨(I)上，通过滚轮(2)上下移动。
2.根据权利要求1所述的多管径单液压顶驱背钳，其特征是:所述的所述牙块(6d)、第一六棱柱牙块(8)和第二六棱柱牙块(10)由耐磨材料制成。
3.根据权利要求1所述的多管径单液压顶驱背钳，其特征是:所述的杠杆左端(6a)长度为30~55cm,杠杆下端长度为30~45cm。
4.根据权利要求1所述的多管径单液压顶驱背钳，其特征是:所述的背钳主体(3)预留与第一六棱柱牙块(8)或第二六棱柱牙块(10)配合的六棱形缺口，且两个六棱形缺口有两组四条边互相平行。
5.一种如权利要求1-4中任一项所述的多管径单液压顶驱背钳的夹持工艺，其特征是:钻杆上扣过程时，包括以下步骤: 第一步，准备阶段: 开始钻井之前根据不同管径，从背钳主体中提起第一六棱柱牙块(8)和第二六棱柱牙块(10)，旋转使工作面对着钻杆，每次变换钻杆管径后只需调整一次； 第二步，下行阶段，钻杆预夹紧: 液压缸(4a)正向充油增压，液压活塞杆(4b)、环形蹄片(4c)以及整个背钳主体(3)向下刚性平移运动，背钳整体下移至背钳导轨最低端，使钻杆进入加紧区域，此过程中弹簧(5)未受到压缩，只起到维持杠杆的位置作用； 第三步，夹紧钻杆: 液压活塞杆(4b )继续向下，环形蹄片(4c )推动杠杆左端(6a)向下运动，弹簧(5 )被压缩，同时杠杠(6)开始绕轴(7)旋转，杠杆下端的约束带(6c)接触钻杆并向右侧推，直至杠杆下端的约束带(6c)、牙块(6d)与六棱柱牙块配合夹紧钻杆(9);约束带(6c)、牙块(6d)的运动过程如下，当约束带(6c)完全包络钻杆(9)时，约束带(6c)将两侧钳牙(6d)向中间拉动，钳牙(6d)接触到钻杆(9)，推动钻杆与六棱柱牙块贴合，钻杆不圆度矫正，约束带的长度为9(Tl30Cm，同时具有柔性和刚性夹紧，共同约束钻杆的旋转，液压维持20-30秒； 第四步，顶驱主轴钻转，拧紧钻杆和保护短节； 第五步，解除约束，放松钻杆: 上扣完成后，液压缸(4a)反向充油，液压活塞杆(4b)和环形蹄片(4c)上行，弹簧(5)使杠杆(6)反方向旋转，杠杆下端夹持解除； 第六步，上行阶段，背钳复位: 待环形蹄片(4c)上行至背钳主体(3)上侧预留孔后，整个背钳主体随着液压活塞杆(4b)向上移动离开钻杆工作区域； 卸扣的工作过程与此类似，只是主轴`旋转方向不同，不再赘述。
【文档编号】E21B19/16GK103711445SQ201410005781
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2014年1月7日 优先权日:2014年1月7日
【发明者】初冠南, 任冬亮, 鲁国春, 陈钢, 王建军, 曹爱玲, 燕炳波 申请人:哈尔滨工业大学（威海）, 山东鸿基机械科技有限公司