紧凑铰接机构的制作方法

本专利文献根据35 U.S.C.§119(e)要求于2014年6月30日提交的标题为“Compact Actuated Self-Locking Mechanism for Lifting and Lowering Heavy Articulated Structures”的美国临时申请序列号62/019,294的优先权，所述临时申请的全部内容通过引用并入本文。

背景技术：

勘探、钻探和完成油气和其它井通常是复杂和耗时的，并且最终要付出非常高昂的努力。因此，多年来，井结构在适当情况下变得更加复杂，以便帮助增加对地下油气储备的获取。例如，与有限深度的井相反，经常发现深度超过30,000英尺的油气井。此外，今天的油气井通常包括旨在瞄准特定地下储备的倾斜段或水平段。实际上，在目标地层位置处，很多侧向支腿和裂缝从井的主井筒朝向地层中的油气储层是很常见的。

上述裂缝可通过压裂操作形成，压裂操作通常被称为刺激操作。刺激操作或压裂操作涉及将高压下的压裂流体泵送至井中以便形成裂缝并刺激油气的生产。然后，裂缝可用作通过地层的通道，油气可通过该通道到达井筒。所示的压裂流体通常包括称为支撑剂的固体颗粒，诸如砂。支撑剂可作用以在压裂操作期间增强裂缝的形成并且在其形成时也可主要保留在裂缝内。事实上，裂缝可保持开放，部分原因是它们的支撑由支撑剂打开。

用于压裂操作的上述支撑剂可从位于井附近的油田处的支撑剂递送单元供应。由于任何给定压裂操作可能需要的支撑剂的量，该单元通常非常大。例如，在支撑剂是常规干砂的情况下，完全装载的单元的重量可超过五十万磅。再次，随着井变得更深并且不断增加的复杂结构，在油田提供甚至更大量的现成支撑剂供应的努力越来越普遍。即，可能涉及更多的井下压裂位置，因此需要更大量的可用支撑剂供应。

从设备观点来看，更大量的支撑剂的现场或近场供应可包括使用移动贮仓或甚至更大的固定贮仓(其用于对其下方的搅拌器重力供给)。因此，可以立即形成并利用支撑剂浆料来支持各种压裂操作。然而，作为实际方式，这意味着可能需要在给定位置处运输和储存潜在的几百万磅支撑剂。除此之外，对于允许这样现成批量供应是必要的设备本身的重量和占地面积的问题。

在限制总体占地面积方面，可使用各种系统。例如，可使用这样的系统，其中较小贮仓状的储存容器被运输至油田且然后架设至竖直位置。因此，由于竖直定向，可减小设备的占地面积，并且可确保压裂浆料的随后重力供给、混合和使用。

遗憾的是，虽然这确实在一定程度上解决了底部空间问题，但是架设加载支撑剂的贮仓具有其实际限制。例如，用常规可用液压装置架设几百多万磅的填充有支撑剂的贮仓可能是不切实际的。因此，在具有更多压裂操作的较大作业现场，可能存在递送若干这种小负载贮仓的需要。

作为递送小负载贮仓的替代方案，已经进行了努力来安装更大更永久的贮仓，这些贮仓在安装时可以是空的，但随后会填充有在油田使用的支撑剂。再次，这种现场贮仓的竖直定向有助于将用于压裂设备的底部空间保持到最小。再次，这种较大贮仓可进行重力供给并且配备有混合设备及其下方的其它特征来用于持续操作使用。然而，对这些较大贮仓设置和填充支撑剂也可能带来挑战。

例如，为了在设置时间和填充方面最大化效率，可采用独特模块化形式的设备。更具体而言，移动紧凑贮仓基础框架可用卡车定位在油田处、展开并用作用于在其上方架设多单元贮仓的基础。类似地，具有可延伸螺旋推运器臂的移动紧凑升降机可利用另一卡车定位在油田处，竖直架设并且随后用于将支撑剂从运送卡车转移至贮仓。以这种方式，可以节省空间方式在油田场地获得更大量的支撑剂。

展开贮仓基础框架或延伸螺旋推运器臂的过程面临在紧凑有限操作空间内重新定向或铰接几千磅张力的独特挑战。即，不同于将升降机架设至竖直位置，用于容纳大型液压设备的空间对于贮仓基础框架和/或螺旋推运器臂的翼部是不可用的。

技术实现要素：

铰接机构被设置为在油田集料递送设备的细长部分之间的接口处的铰链的支撑件。机构包括螺旋装置，该螺旋装置的一端枢转地固定至第一细长部分，但是其相对端不固定。壳体另外围绕螺旋装置而设置，并且位于装置端部之间以用于稳定地容纳穿过其中的装置。因此，壳体固定至第二细长部分。此外，螺旋千斤顶可在装置的端部之间联接至壳体，以便与其侧向并基本上锁定接合。

附图说明

图1A是紧凑铰接机构的实施方案的侧面部分横截面视图，其中其螺旋装置处于缩回侧向位置；

图1B是图1A的铰接机构的侧面部分横截面视图，其中螺旋装置处于延伸侧向位置；

图2是具有多个铰链位置的集料仓系统的透视图，其中该系统包括具有图1A和图1B的螺旋装置的机构；

图3A是用于图2的系统的移动基础框架的后视图，其中机构的螺旋装置处于缩回和锁定的侧向位置以用于框架运输；

图3B是图3A的铰接机构实施方案的透视图，其中螺旋装置处于延伸侧向位置；

图3C是图3A的移动基础框架的后视图，其中螺旋装置处于延伸侧向位置以用于框架展开；

图4A是用于图2的系统的移动螺旋推运器单元的侧面透视图，其中机构的螺旋装置处于延伸侧向位置以用于单元运输；

图4B是图4A的铰接机构实施方案的侧面透视图，其中螺旋装置处于缩回侧向位置以用于螺旋推运器从单元延伸；

图4C是图4A的单元上升至竖直位置的侧面透视图，其中铰接机构锁定以用于螺旋推运器固定；

图5是总结在集料递送设备部分之间的接口处采用铰接机构的实施方案的流程图。

具体实施方式

在下面的描述中，阐述了许多细节以提供对本公开的理解。然而，本领域那些技术人员应理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所描述的实施方案。此外，可采用由具体描述的实施方案保持预期的许多变化或修改。

参考在集料管理设备中使用的紧凑铰接机构的某些实施方案来描述实施方案。具体而言，讨论了用于油田支撑剂的运输、递送和储存的设备，其利用这种铰接机构来支撑大基础框架单元处的接头，所述大基础框架单元又支撑大型贮仓以及螺旋推运器单元以支撑用于支撑剂递送的螺旋推运器臂的延伸。然而，可采用这种紧凑铰接机构的其它用途。例如，悬臂支撑框架、坡道、压裂搅拌器组合件和其它重型接合油田设备可结合这种铰接机构的实施方案。实际上，只要机构结合螺旋千斤顶和螺旋装置(其基本上锁定并且在其中装置的一端枢转地固定至限定接头的细长部分中的一个而另一端保持不固定)，则可实现可观益处。即，可用这种构造来提供独特的紧凑性，其中限定接头的细长部分中的另一个代替地枢转固定至围绕装置的壳体，如下文所详细描述。

现在参考图1A和图1B，示出紧凑铰接机构100的实施方案的侧面部分横截面视图。铰接机构100可用于支撑大型油田设备的相邻细长部分之间的接头。例如，可在框架210、335和相对于其可延伸或可收缩的翼部330或螺旋推运器臂275之间找到接头(参见图3A和图4A)。这种铰接机构100可用于在其延伸或收缩期间稳定地支撑这种特征的相当大重量。再次，即使在没有任何正在进行的延伸或收缩的情况下，机构100也可提供安全固定或锁定来代替这些特征。

如图1A所示，机构100包括示出为处于缩回侧向位置的螺旋装置110。更具体而言，相对于机构100的周围延伸壳体150，装置110被示为基本上缩回到其中。相反，在图1B的描述中，螺旋装置被明显示为从壳体150中侧向伸出。

在螺旋装置110从一个位置不同程度侧向地移动至另一个位置时，壳体150利用辊轮140来增强装置110的稳定性。增强稳定性可具有显著益处，其中显著负载被固定至螺旋装置110的暴露端175。例如，在所示的实施方案中，暴露端175包括U形夹连接件185，以如上所述用于枢转地固定至设备的重型铰接或细长部分。因此，在螺旋装置110的侧向移动期间，通过所述的辊轮140在一个位置处提供一定程度的稳定性。这里增加的稳定性可基本上消除来自设备的固定铰接部分的螺旋装置110上的任何弯曲载荷，如下面详细描述。

除了由辊轮140提供的稳定性之外，螺旋装置110通过螺旋千斤顶120侧向向后或向前移动进或移动出壳体150。因此，螺旋装置110的螺纹区域112与螺旋千斤顶120的接合为装置110提供了另一稳定位置。即，不同于暴露端175，螺旋装置110的相对端相对于设备的另一细长部分(诸如框架210、335、翼部330或螺旋推运器臂275(见图3A和图4A))保持不固定。相反，该其它设备部分可枢转地固定至壳体150，如下面进一步详细描述。无论如何，通过螺纹区域112与螺旋千斤顶120的接合为螺旋装置110提供额外稳定性。在所示的实施方案中，虽然也可采用其它额定值的螺旋千斤顶，但是螺旋千斤顶120可以是约二十吨至约四十吨的产品。

在所示的实施方案中，可包括螺纹区域112的装置110的不固定端可后退至圆柱形保护罩125中。该罩125可用于保持螺纹区域112的表面免受碎屑的影响。然而，在该实施方案中，可能不依赖罩125以用于任何实质的支撑功能。

利用螺旋千斤顶120来在如图1A所示的缩回位置和如图1B所示的延伸位置之间使螺旋装置120线性地或侧向地移动提供了某些额外优点。例如，不同于延伸常规液压臂，由于如下面进一步详细描述的机构的自锁定性质，可避免对恒定供电的需要。再次，螺旋千斤顶120的空间需求相对紧凑。即，从机构100经由螺旋千斤顶120可获得大范围运动。这在从图1A的缩回位置移动至如图1B所示的延伸位置时在螺旋装置110的不同位置的比较中示出。显然，为了延伸装置110的行程，几乎整个螺纹区域112前进通过螺旋千斤顶120。

螺旋千斤顶120的自锁定性质根据所涉及的齿轮比在这种装置类型中可以是固有的。例如，如上所述，螺旋装置110的螺纹区域112接合用于以侧向方式使装置110可旋转地延伸或缩回的千斤顶120。更具体而言，千斤顶120包括轴承安装的可旋转螺母(未示出)或围绕螺纹区域112的其它匹配螺纹特征。该特征由液压或其它常规紧凑电机130可旋转地驱动，以根据特征的旋转方向使螺旋装置110侧向地延伸或缩回。因此，如同这种齿轮驱动机构的情况，在驱动这种旋转中可用各种齿轮比选项。例如，齿轮比可以是2比1、50比1，或者在这些范围之间或甚至在这些范围之外的任何比。

对于本文详述的实施方案，千斤顶120用于在涉及相当大量振动的环境中稳定地支持打开、关闭或以其它方式支撑可能数千磅的细长设备部分。因此，有利的是利用可能表现出基本上“自锁定”性质的螺旋千斤顶120。通过具体实施例的方式，在这种环境中，具有32比1的齿轮比的30吨千斤顶120将基本上是自锁定的。即，尽管所涉及的重量和张力，且甚至环境的潜在振动性质，但是千斤顶120在细长设备下落、下降或变得不受支撑的情况下被反向驱动的可能性将是可忽略的。

再次，铰接机构100的这种基本上自锁定性质不需要恒定电源来实现。而是，每当螺旋装置110处于适当侧向位置并且接头将保持被支撑或“锁定”时，可简单地关闭通过电机130供应的电力。这在下面详细描述的实施方案中示出，其中重细长翼部330通过铰接机构100锁定在适当位置以便运输，或者其中细长螺旋推运器臂275由另一机构100锁定在适当位置以用于递送集料(参见图4A和图4C)。

在一个实施方案中，在以下事实中发现铰接机构100的另一稳定特征：延伸壳体150可基本上是矩形，以便如图所示在其多个平坦表面处容纳辊轮140。壳体150的这种矩形形状也接收螺旋装置110的匹配的矩形形状。即，虽然螺旋装置110的螺纹区域112被设置为用于如上所述接合螺旋千斤顶120，但是它不会如由千斤顶120本身提供的该功能那样(如上所述)而旋转。因此，装置110的矩形区域114可被设置为用于在矩形壳体150内可固定地线性移动。因此，在装置110从一个位置移动至另一个位置时，该装置以降低的旋转或其它不稳定运动的可能性而如此地稳定。

现在参考图2，示出集料贮仓系统225的透视图。系统225包括多个铰链位置，其中可使用图1A和图1B的铰接机构100。具体而言，再参考图3C和图4C，示出移动基础框架230和螺旋推运器单元220，随后找到具有以翼部330和螺旋推运器臂275形式的细长设备部分的牵引车型递送。如上所述，考虑到它们的重型铰接性质，使用铰接机构100作为部署这些特征的辅助可具有重大益处。

实际上，考虑到所涉及的大型规模，操作者在工地200的安全问题是显而易见的。例如，除了多吨移动基础框架230和螺旋推运器单元220之外，还提供相对大型移动混合设备240以用于对接和/或支撑容纳诸如支撑剂的集料的几吨容量的贮仓单元250。因此，在如图所示安装这些设备中的每个时，可采取安全和可靠的措施来确保操作者的安全以及系统225的长期稳定性。沿这些线路，增强的安全性在很大程度上经由铰接机构100被提供至翼部330和螺旋推运器臂275。

继续参考图2，通过将基座或移动基础框架230递送至工地200来建立贮仓系统225。借助于铰接机构100将框架230的翼部或延伸的基座330部署至所描述的位置。如下面进一步详细描述，该铰接机构100在框架230的运输期间具有特别益处。无论如何，移动混合设备240和螺旋推运器单元220如图所示而定位。具体而言，螺旋推运器单元220被定位为收缩形式，随后借助于另一铰接机构100使螺旋推运器臂275延伸并经由液压臂215使升降机210升高。因此，在某一时刻，运送卡车可被驱动至折叠坡道219上方以将支撑剂或其它集料下落至传送带217上，该传送带将支撑剂发送至升降机210上方并最终到达螺旋推运器臂275和斜槽280以对贮仓250填充。结果，现场混合设备240可用于在工地200根据需要和长期基础来提供支撑剂的浆料。

在所示的实施方案中，传送带217在使用之前折叠。然而，它可如所描述的那样展开来使用。此外，在一个实施方案中，带217还可具有伸缩构造。

现在参考图3A，示出用于图2的系统225的移动基础框架230的后视图。在该描绘中，示出多个铰接机构100，其中它们的螺旋装置110处于缩回和锁定的侧向位置。即，回忆机构100本质上可以是自锁定，它们可用于将重型翼部330锁定在适当位置以进行运输。此外，记住移动基础框架230可以是极高重量的卡车/牵引车驱动的组合件；为了安全，机构100被构造为使得在运输期间提供最大稳定性。例如，被折叠用于运输的翼部330的各自重量可以是15,000磅(lbs)至25,000磅或者更多。因此，在运输期间，有利的是，机构100使翼部330固定为直立以进行运输，同时使螺旋装置110缩回，并且在延伸壳体150内最稳固且稳定地定位(例如参见图1A)。实际上，即使在常规运输期间翼部330的负载在装置110上可能最小，但是风、事故或其它潜在问题的可能性仍然存在。因此，在将翼部330保持在的折叠直立位置(如图所示)方面，机构100的最大可靠性和安全性在运输期间特别有益处。

现在继续参考图3B，示出图3A的铰接机构100中的一个的透视图。具体而言，示出其螺旋装置110移位至延伸侧向位置的机构100。在该描绘中，辅助连杆320、350的弯曲“回飞镖”形状是显而易见的。即，在螺杆110在由电机130和螺旋千斤顶120驱动时从壳体150延伸时，这些连杆320、350的接头360打开，从而允许它们提供附加支撑。具体而言，第二连杆320枢转地固定至翼部330的U形夹连接件185(参见图1A)，而主连杆350枢转地固定至壳体150。因此，在翼部330从如图3A所示的运输定向展开至下面所讨论的图3C所示的部署定位时提供增加的稳定性。应注意，主连杆350在其基本上中心位置处枢转地固定至壳体150。然而，在其它实施方案中，诸如上文和下文进一步讨论的螺旋推运器臂275，壳体150可包括在更多偏移位置处的枢转连接(例如，参见图4A的180)。

现在继续参考图3C，示出其螺旋装置110处于其完全延伸侧向位置并且固定至现在完全展开的翼部330的图3A的移动基础框架230的后视图。在该视图中，由铰接机构100提供的全部运动范围是显而易见的。此外，应注意，刚好在翼部330到达地面以进行支撑之前放置在铰接机构100上的最大负载可接近35,000磅或者更多。然而，此时，框架230处于用于部署的位置，而不是在道路上以进行运输。因此，从安全观点来看，如果需要，这对于机构100经历这样的负载是唯一适当的时间。

现在继续参考图4A，示出用于图2的系统的移动螺旋推运器单元220的侧面透视图。具体而言，铰接机构100被描绘为其螺旋装置110处于延伸侧向位置。即，不同于用于图3A的基础框架230的铰接机构100的螺旋装置110，用于螺旋推运器单元220的装置110在运输期间延伸。这是因为与图3A的细长翼部330相反，如图所示在运输期间，重型细长螺旋推运器臂275已经自然地水平固定。因此，在具有更大优点的情况下(例如，当臂275在如图3C所示的使用期间被锁定打开时)，可替代地利用缩回至壳体150内的螺旋装置110的更稳定和固定的定位。

继续参考图4A，如上所示，单元220被示出为折叠起来以进行运输，其中升降机210和臂275都水平地固定至移动牵引车床。铰接机构100的螺旋千斤顶120可具有齿轮比以有效地将螺旋装置110锁定在如图所示的位置。具体而言，装置110可将臂275的U形夹连接件185(参见图1A)保持在适当位置，从而防止臂275绕升降机枢转位置450的任何延伸移动。然而，如上所述和下面进一步详细描述，一旦处于展开的位置，液压管线420即可引导在螺旋千斤顶120处的液压电机130以将螺旋装置110缩回至辊轮140上并进入壳体150。在一个实施方案中，螺旋千斤顶120可由电动电机、气动电机驱动，或者用曲柄手动驱动(对于缩回螺杆驱动器110所需的扭矩而言具有适当的尺寸)，如本领域那些技术人员应理解。

还参考图4B，使螺旋装置110缩回至壳体150中可发生，直到臂275升高并锁定至所示的竖直位置。当然，在其它实施方案中，铰接机构100的性质使得臂275可被升高超过竖直或90°(如果这是期望的话)。无论如何，在臂275升高时，它们围绕所述升降机枢转位置450铰接，并且如上所述螺旋装置110的螺纹区域112被拉入保护罩125中。此时，也如上所述，壳体150可围绕偏移U形夹180旋转一定角度。或许最显著的是，铰接机构100在承受显著负载的同时实现该运动。例如，每个臂275都可以是12英尺至14英尺长并且几千磅重。正好在臂275开始升高时，螺旋装置110和机构100上的负载可超过20,000磅，一旦升高至如图所示的静止竖直位置，最终下降至5,000-10,000磅的负载。然而，螺旋千斤顶120的独特性质使得用于操纵的足够动力可容易地从如图所示的小型紧凑液压电机130获得。

现在参考图4C，示出图4A的单元220升高至竖直位置的侧面透视图。即，单元220的升降机210完全升起，同时铰接机构100保持锁定在适当位置，从而允许螺旋推运器臂275处于水平定向。

还参考图2，以这种方式升高升降机210可通过常规液压臂215实现。无论如何，一旦处于适当位置，螺旋推运器臂275即可用于将诸如支撑剂的集料递送至系统225的贮仓250。因此，铰接机构100上的负载可能相当大。例如，以这种方式单独保持臂275可在机构100上放置几千磅的张力。然而，一旦填充有诸如铝土矿的支撑剂，总张力可超过45,000磅，且(例如在支撑剂被递送至系统225时)长达延长使用期间。因此，在该特定实施方案中，有利的是，通过使螺旋装置110缩回至壳体150中来延伸臂275，其中对于机构100实现最大稳定性。

现在参考图5，示出总结在细长部分和其它集料递送设备部分之间的接头处采用铰接机构的实施方案的流程图。具体而言，大型设备可以如510所示的收缩方式被递送至工地。在其中对于包括使用具有缩回螺旋装置的铰接机构的递送最有利的是，装置然后可如530所示那样延伸(例如，参见图2的翼部330)。或者，在螺旋装置在操作期间缩回更有利的情况下，机构可在递送期间延伸(参见图2的臂275)。因此，在递送时，螺旋装置可如550所示那样缩回。

响应于螺旋装置的适当延伸或缩回，设备的细长部分可被致动至如570所示的操作位置。对于本文所述的实施方案，这可包括如所示的移动支撑框架或实现螺旋推运器臂的水平位置。无论如何，如590所示，这之后可以是适当工地应用，诸如在移动框架处固定贮仓或从螺旋推运器臂向其递送支撑剂。

上述实施方案允许填充有支撑剂的现场贮仓的更实际利用。即，可避免与升高预填充贮仓相关联的挑战，同时还允许更大型贮仓系统。具体而言，较大型系统的模块化性质通过使用紧凑铰接机构来支持，所述紧凑铰接机构使得大型设备的紧凑运输和随后的部署更实用。尽管涉及到潜在的数万磅，但是上文详细描述的铰接机构的实施方案允许以紧凑和实用的方式部署模块化基础框架、螺旋推运器臂和其它设备。

已经参考目前优选的实施方案给出了前面的描述。本领域和这些实施方案所属的技术的技术人员应理解，可在不有意地脱离这些实施方案的原理和范围的情况下实践所描述的结构和操作方法的改变和变化。例如，在上面详细描述的实施方案中，描绘了用于给定基础翼部或甚至一对螺旋推运器臂的单个铰接机构。然而，在其它实施方案中，数量可不同。例如，每个基础机翼部可使用多个铰接机构，或者每个螺旋推运器臂配备有其自己的专用机构。此外，前面描述不应被解读为仅仅涉及在附图中描述和示出的精确结构，而是应被理解为与所附权利要求一致并且作为对所附权利要求的支持，这些权利要求具有最充分和最直观的范围。