钻杆夹持装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及钻杆夹持装置和一种向钻柱和从钻柱进给钻杆的钻机，并且特别地，尽管不是唯一地，涉及具有至少一个杆接合器的夹持装置，其中该至少一个杆接合器具有研磨表面，以增加钻杆和夹持装置之间的摩擦力。
【背景技术】
[0002]钻探通常涉及凿钻到几千米的地下深处。因此，随着钻柱被推进到钻井中，有必要连接和安装钻管或钻杆的连续区段。
[0003]钻杆(根据它们的具体构造)每个可以重10至50千克之间并测量约两到三米长。通常，钻杆是由设置在各自的钻杆端部的公和母螺纹连接而互连起来的。此外，在凿钻期间，通常不可避免的是必须在钻柱的最下端定期更换钻头或其它工具。这种更换过程涉及从钻孔收回整个钻杆，更换最下部，然后重新安装整个钻杆，之后，凿钻可以继续。实际上，并且取决于岩石条件，对于每个钻孔进行十到二十次的收回操作并不少见。因此，需要处理非常大的数量的钻杆，特别是将其从输送或存储车辆提取到钻机，在此它们为轴向对准和联接到钻杆做好准备。当然，在钻杆收回期间，也需要相反的操作。在US3043619、GB2334270、W000/65193和W02011/129760中描述了示例性的钻杆操纵系统。
[0004]钻杆操纵系统通常可包括具有专用夹具以夹持钻杆的机器人臂。在向前凿钻操作期间，机器人臂被布置用以在输送或中间运载器处拾取钻杆并将钻杆放置到钻机内，然后钻杆被连接到已经安装好的钻杆，以延长钻柱。在钻柱收回操作期间，机器人臂被布置用以从钻机拾取拆开的钻杆并把它们放回到输送或中间运载器。
[0005]为了提供一种全自动的系统，其消除了定期人工干预的需要，对于钻杆操纵系统来说期望能够将钻杆连接到已安装好的钻杆并且从已安装好的钻杆拆开钻杆。通常，钻柱的端部钻杆由位于尾部的夹具单元接合，夹具单元具有一个或多个杆接合器，至少一个杆接合器被构造用以经由与钻杆的外表面摩擦接触而向钻杆施加扭矩力。钻柱的其余钻杆由在钻机上靠前位置处的杆保持器保持。有利的是增加杆接合器和钻杆之间的摩擦接触，从而确保钻杆被牢固地保持并且传递足够量的驱动，以赋予钻杆旋转运动。已经进行了许多尝试试图改进夹具单元和钻杆之间的摩擦接触并且在US5221099、CA2459628和US2005/0188793中公开了示例。然而，传统的杆接合器通常设计用于特定的和预定直径的钻杆和/或没有被构造成赋予钻杆旋转驱动，而只是夹持和保持钻杆。因此，现有的尝试或者当使用不同直径的钻杆时呈现不均匀的性能，或者不兼容构造用于钻杆的组装或分离操作的夹持单元。因此，需要解决这些问题的钻杆夹持装置。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供组装和分离夹持装置和特别是一种钻机，其被构造用于向钻机和从钻机进给钻杆，以便有效地夹持钻杆，以允许轴向移动并赋予不同外径的钻杆旋转驱动。还存在一个特定的目的是提供一种具有多个杆接合器的夹持单元，其中至少一个接合器被构造成与钻杆维持触碰接触并且在与钻杆外表面摩擦接触的状态下、以无损失或损失最小化的情况下将平移驱动有效的和高效地传导到钻杆。
[0007]通过提供一种具有框架的夹持单元实现该目的，该框架安装有轴向可滑动的滑板，滑板具有一对能够朝向彼此和从彼此线性横向移动的并且围绕钻杆的外表面的夹爪。通过提供至少一个具有研磨、高摩擦表面的接合器，在钻杆和安装夹爪的杆接合器之间实现优化的摩擦接触。发明人已观察到接合夹爪构造，其中经由横向滑动运动使夹爪垂直于或横向于纵向轴线移动(与枢转作用有差别)是有利的，因为对于具有不同的钻杆外径的多个钻杆，共同操作的接合器的轴向中心(安装在每个夹爪处)是恒定的。通过将夹爪和接合器构造成朝向和从共同的中心轴线有效移动(独立于钻杆直径)，接合器和钻杆外表面之间的摩擦接触可以经由至少一个包括研磨表面的接合器优化。
[0008]根据本发明的第一方面提供了钻杆夹持装置以夹持钻杆并将旋转运动赋予钻杆，该钻杆夹持装置包括:具有前端和后端的框架，当安装在该装置处时，后端在与钻杆的轴线对应的纵向轴线的方向上与前端间隔开；经由至少一个支撑件安装在框架处的滑板，该至少一个支撑件被构造用以允许滑板相对于框架轴向移动；第一和第二夹爪，其经由各自的支架安装在滑板处，以允许第一和第二夹爪在与纵向轴线横向或垂直的方向上横跨滑板朝向彼此和从彼此基本线性横向移动；多个杆接合器，其被安装在第一和第二夹爪的每一个处，至少一个接合器由驱动致动器可旋转地驱动；其中至少一个杆接合器包括研磨表面，以增加钻杆和所述至少一个接合器之间的摩擦力。
[0009]本说明书中提及的“研磨表面”包含表面和提供高摩擦系数的表面涂层，该表面涂层优选地通过在表面和/或涂层处嵌入粒状颗粒而提供。粒状颗粒通常包括比粒状颗粒所嵌入的接合器和/或涂层的底层的基底或基材材料更硬的材料。研磨表面被构造用以增加接合器和钻杆之间的摩擦力，同时使由于接触造成的对钻杆的表面留痕、划刻、划伤或损坏最小化。因此，本发明涂层通常比接合器本体或基体的底层的材料更硬。
[0010]优选地，所述至少一个支撑件包括一对伸长的运转体(runner)，其被安装在框架的前端与后端处并且在框架的前端与后端之间延伸，可选地是，其呈在任一侧和/或在滑板上方轴向延伸的轴的形式。
[0011]优选地，各个支架包括舌和槽结构。可选地，夹爪的横向的侧面到侧面的移动可以由任何线性操作机构提供，这样的线性操作机构包括线缆、滑轮、皮带、滑道、钩和通道结构、螺纹结构(螺纹杆和套筒)、机械、气动、液压或基于磁的平移运动机构。优选地，该装置进一步包括驱动机构，以驱动第一和第二夹爪相对于纵向轴线在横向或垂直的方向上横向移动，驱动机构包括驱动致动器。优选地，驱动致动器是液压或气动缸。可选地，驱动致动器可以是电动马达。优选地，驱动机构包括由驱动致动器驱动的齿条和小齿轮结构。
[0012]优选地，装置进一步包括致动器臂，其一端枢转地安装到框架并且相反的一端安装到钻机的进给框架。
[0013]优选地，装置进一步包括相应的驱动致动器，其被安装在第一和第二夹爪处，以驱动在每个相应的第一和第二夹爪处的至少一个接合器。
[0014]优选地，研磨表面在所述至少一个接合器处被形成为高硬度涂层。优选地，涂层包括嵌入在涂层内的粒状颗粒，颗粒具有的硬度大于接合器的涂层和/或底层材料。可选地，粒状颗粒可包括以下集合的任何一种或组合:金刚石；硅；锆石；钨；碳化物；碳化钨；碳化硅；立方氮化硼；金刚石；玻璃；陶瓷；刚玉；石英；钛；多晶金刚石复合物；天然金刚石。
[0015]可选地，粒状颗粒可以包括在200 μ m至800 μ m之间的平均粒径。可选地，研磨表面可包括根据欧洲磨料磨具生产商联合会(FEPA)国际标准在P24至P60之间的P级。
[0016]优选地，接合器包括分别安装在第一和第二夹爪的每一个处的两个辊。优选地，辊被形成为可旋转地安装在轴上的圆柱体。可选地，该圆柱体包括在100mm至200mm之间的轴向长度。优选地，研磨表面被设置在安装在第一或第二夹爪的任一个处的两个辊处。
[0017]根据本发明的第二方面，提供了钻机，以朝向钻柱和从钻柱进给钻杆，钻机包括:进给框架；安装在进给框架的旋转单元，以提供旋转驱动到钻柱；杆保持器，以安装钻柱的末端区域；如本文所要求保护的夹持装置；和输送器，其将夹持装置安装到进给框架，以将夹持装置从钻杆收集位置输送到钻机处的钻杆联接位置，使得在钻杆联接位置处将钻杆与钻柱轴向对准。
[0018]优选地，杆保持器被安装在支撑框架处，可选地，与钻机的主进给框架平行地定位。
【附图说明】
[0019]现在将仅通过示例并参照附图描述本发明的【具体实施方式】，其中:
[0020]图1是钻机的上方透视图，根据本发明的【具体实施方式】，钻杆存储机架和钻杆操纵装置被定位在钻机和机架的中间；
[0021]图2是图1的钻杆操纵装置的第一侧透视图；
[0022]图3是图2的钻杆夹持装置的第二侧透视图；
[0023]图4是图3的钻杆夹持装置的后部的下方透视图；
[0024]图5是图3的钻杆夹持装置接合待连接到钻柱的钻杆的侧立视图；
[0025]图6是为了说明性目的从后面移除某些部件的图4的夹持单元的放大的下方透视图；
[0026]图7是为了说明性目的移除某些部件的图4的夹持单元的前端视图；
[0027]图8是为了说明性目的通过移除某些部件的图4的夹持单元横截面前端视图。
【具体实施方式】
[0028]本发明装置被构造用以在钻机处提供钻杆到钻柱和钻杆从钻柱的自动进给。特别地，本发明的实施例涉及用于改善钻柱驱动和提取操作的装置和方法。特别地，夹持单元被构造用以施加扭矩到管状元件诸如钻杆上，以组装或分离钻杆之间的螺纹连接，该钻杆被连接在一起形成钻柱。本发明联接装置包括机械部件和特定的液压部件，以在装置运行的给定的恶劣工作环境中提供稳固的构造。本发明夹持单元被特别地构造用以在螺纹连接的组装或分离期间，使传递到钻柱的最后的钻杆(final rod)的(由安装在夹持单元的杆接合器赋