用于悬置向下打眼的井柱的设备的制作方法

专利名称：用于悬置向下打眼的井柱的设备的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及井的钻取、调查和维护。更具体地，本发明涉及一种夹紧装置以及 对向下打眼的井柱(well string)增加部件(例如，钻杆、稳定器、其他井底部件)以及从井柱拆除这些部件的方法。更具体地，本发明涉及从钻孔的上方抓握和悬置井柱部件。
背景技术：
钻探碳氢化合物是包括使用在大地中形成的钻孔中的向下打眼井柱的操作的例子。在钻井的情况下，向下打眼的井柱也被称为钻柱。在石油和天然气行业中已知其他类型的向下钻孔井柱，例如完井作业的完井井柱和生产作业的生产井柱。钻井包括将钻柱插入钻孔，并且操作钻柱以钻进该钻孔。通常这样钻进钻孔，即使用布置在钻孔上方的顶驱设备或者转盘以与钻柱的顶部接合并且使其旋转。随着钻柱旋转，处于钻柱底部的钻头就切入大地。在钻井操作期间，必需有时向钻柱增加几段钻杆(“接头”)，或者从钻柱拆下几段钻杆。增加接头的一个原因是延长钻柱，以使其能够钻入大地更深。从钻柱拆下接头的一个原因是从钻孔收回钻柱，以便能够更换钻头，或者能够对附属于钻柱底部的井底组件做其他改变。能够以立柱(stand)的形式向钻柱增加接头或从钻柱拆下接头，其中每个立柱都由多个经连接的接头组成。在向钻柱增加接头、立柱或其他部件或从钻柱拆下它们时，必须将钻柱的全部重量从钻孔上方的位置悬置。传统上，布置在转盘中的悬置部件被用于悬置钻柱，并且其包括这样的部件，诸如补心、插入座和卡瓦(slip)。通常，补心安装在转盘中的开口中。补心具有接纳钻柱的开口。在补心和钻柱的邻近于补心的部件之间插入卡瓦。卡瓦为楔形体并且可具有用于抓握钻柱部件的抓握表面，例如齿。卡瓦位于由补心提供的锥形座上。在一些情况下，卡瓦将不完全桥接补心和钻柱之间的间隙，所以插入座被插入补心和钻柱之间，以使得卡瓦能够接合钻柱部件。由于它们的楔形形状，卡瓦在悬置的钻柱上施加径向夹紧力。夹紧力取决于悬置钻柱的重量，以便在更多接头被增加至接头时，重量和夹紧力都提高。该效应将导致过大夹紧力，并且能够限制不压碎由卡瓦直接保持的部件所能悬置的钻柱的长度。附属于钻柱的底部的井底组件通常由许多工具或部件组成。这样的部件的例子包括钻头、钻环、减震器、震击器、泥浆马达、随钻测量工具、稳定器等等。这些部件具有不同直径，从而为了悬置井底组件(“BHA”)，在转盘中需要许多不同构造的悬置部件。在BHA单次进入钻孔期间，为了容纳BHA组件的不同直径，可能必须多次拆下和移位悬置部件的卡瓦、补心、插入座和其他部件。这些多次拆下和移位常常需要以起重索套人工处理重的部件，这是耗时并且劳动密集的操作，其中必须始终遵守针对人员安全的程序。此外，现代钻井塔使用成本大约是每小时几千美元，因而需要尽可能避免耗时操作。因此，本领域仍存在一种对在钻孔中有效和安全地抓握和悬置井柱的改进方法的需求
发明内容
因此，本文公开了一种用于沿基本竖直轴线诸如沿井孔的轴线悬置井柱的设备。在一些实施例中，该设备包括底板，其具有用于接纳井柱部件的开口 ；夹紧机构，其由底板支撑，并且具有多个被支撑以相对于底板线性运动的夹具体，并且具有用于与井柱接合的抓握表面。该设备还包括驱动机构，用于移动夹具体，并且使它们的抓握表面与井柱接合。至少一个夹具体适于在第一位置和第二位置之间移动，在第一位置中其阻碍开口接纳井柱部件，在第二位置中其不阻碍开口。在某些实施例中，该悬置设备适于当在第一操作模式中夹具体与井柱接合时支撑整个井柱的重量。同样地，在某些实施例中，该设备包括转接器(adapter)构件，其被耦接至底板，并且被构造成用于将底板耦接至外部结构，诸如钻井塔地板，以及用于将井柱的重量从夹紧机构转移至该外部结构。在一些实施例中，夹具体包括抓握构件，其自调整至井柱部件的尺寸。在一些实施例中，夹具体可能包括具有凹表面的至少一个接纳凹部，并且包括被布置在该接纳凹部中的承载器构件，其具有凸表面，承载器的凸表面面对接纳凹部的凹表面。在该实施例中，承载器构件也可能具有至少一个具有凹表面的接纳凹部，其接纳具有与承载器的凹表面面对的凸表面的抓握插入体。也公开了某些这样的实施例，其中悬置设备包括多个风箱状体，其被耦接至底板，并且被构造成提供该设备的操作模式的视觉指示，在夹紧机构未支撑井柱的重量的模式中，风箱状体膨胀，并且在夹紧机构支撑井柱的重量的模式中，风箱状体收缩。在一些公开的实施例中，夹紧机构包括多个夹具体，其被支撑为相对于底板进行线性运动；以及一对辅助夹具体，其被支撑为相对于底板进行独立的线性运动和圆周运动。辅助夹具体可枢转，以便摆动到阻碍开口的第一位置中，并且从第一位置摆动至其中它们不阻碍开口的第二位置。当处于第一位置时，可将辅助夹具体销紧在一起，从而将其固定在第一位置，所述销可拆除以便允许辅助夹具体移动至第二位置。在一些实施例中，驱动机构包括至少一对缸组件，该对缸组件中的每个缸组件都具有第一端和第二端，第一端被可枢转地连接至底板，第二端被构造成当夹具体处于第一操作模式时可释放地接合阻碍底板开口的夹具体。在某些实施例中，该缸被构造成至少在第一操作模式中它们的第二端从底板开口摆动离开。在包括主夹具体和一对辅助夹具体的实施例中，驱动机构可包括一对心轴，其中第一和第二辅助夹具体被可旋转地附接至心轴的前端，并且其中主夹具体被可滑动地支撑在心轴的后端上。在某些该实施例中，驱动机构还可能包括一对驱动马达和用于将驱动马达的旋转运动转化为心轴的线性平移的齿轮装置。同样地，在该实施例中，驱动机构还可能包括一对缸，其被耦接至第一和第二辅助夹具体，并且可操作以独立地将线性和圆周运动赋予第一和第二辅助夹具体。因而，本文所述的实施例包括用于解决与某些现有装置、系统和方法关联的各种缺点的特征和优点的组合。阅读下文详细说明以及参考附图后，对本领域技术人员而言，上述各种特征和其他特征将是显而易见的。


下文是附图中的各图的说明。图I示出包括钻井的井操作系统的实施例的示意性正视图。图2示出根据本文所述的原理的用于悬置井柱的夹紧装置的第一实施例的透视图。图3示出图2的夹紧装置的底透视图。 图4示出处于完全开启位置、也称为拆除模式中的图2的夹紧装置的顶视图。图5示出处于操作开启位置的图2的夹紧装置的顶视图。图6示出处于操作闭合位置的图2的夹紧装置的顶视图。图7示出处于操作开启位置的图2的夹紧装置的水平横截面图。图8示出处于操作闭合位置的图2的夹紧装置的水平横截面图。图9示出用于控制图2的夹紧装置的操作的驱动控制系统的示意图。图IOA示出根据本文所述的原理的用于悬置井柱的夹紧装置的第二实施例的前透视图。图IOB示出图IOA中所示的夹紧装置的一部分的双L闩锁的放大图。图11示出图10的夹紧装置的后透视图。图12示出补偿器部件的透视图，其包括作为图10的夹紧装置的部件的第一底板和第二底板。图13示出图10的夹紧装置的第二底板的透视图。图14示出在拆除模式的阶段I中处于部分开启位置的图10的夹紧装置的顶视图。图15示出在拆除模式的阶段2中处于完全开启位置的图10的夹紧装置的顶视图。图16示出处于操作开启位置中的图10的夹紧装置的顶视图。图17示出处于操作开启位置中的图10的夹紧装置的侧视图。图18示出处于操作闭合位置中的图10的夹紧装置的顶视图。图19示出当夹紧装置未支撑井柱的重量时沿图17中所示的线19-19截取的图10的夹紧装置的截面端视图。图20示出当夹紧装置支撑井柱的重量时沿图17中所示的线19-19截取的图10的夹紧装置的截面端视图。图21示出具有用于图10的夹紧装置的部分组装的插入体承载器和一个压模插入体的夹具体的顶剖视图。图22示出具有用于图10的夹紧装置的部分组装的插入体承载器和一个压模插入体的夹具体的前剖视图。图23示出用于控制图10的夹紧装置的操作的驱动控制系统的示意图。图24示出图19中所示的行程限制底板引导组件的放大横截面图。图25示出用于流体动力缸与图10的夹紧装置中的夹具体结合的拉动块的透视图。
具体实施例方式下文讨论涉及本发明的各种实施例。不应将公开的实施例解释为或以其他方式用于限制包括权利要求的本公开的范围。另外，本领域技术人员应理解，下面的描述具有广泛 应用，并且任何实施例的讨论都意于仅例证该实施例，并且无意暗示包括权利要求的本公开的范围受该实施例的限制。在下文描述和权利要求中使用特定术语来指代具体特征或部件。本领域技术人员应理解的是，不同的人可能以不同的名称来指代这些特征或部件。本文件无意将名称不同但是功能相同的部件或特征进行区别。附图不一定按比例。本文的某些特征和部件可能以夸大的比例示出，或者以稍微示意的形式示出，并且为了清晰和简明，可能未示出传统元件的一些细节。另外，可使用类似或相同的附图标记来识别共同或类似的元件。在以下讨论中以及在权利要求书中，以开放形式使用术语“包括…”和“包含…”，并且应将其解释为意思是“包括，但不限于…”。同样地，术语“耦接(couple)”或“耦接(couples) ”用于表示间接或直接连接。因而，如果第一装置耦接至第二装置，则该连接可通过直接连接，或者通过经其他装置、部件和连接的间接连接。另外，本文使用的术语“轴向的”和“轴向地”通常意思是沿着或平行于给定轴线(例如，本体或端口的中心轴线)，而术语“径向的”和“径向地”通常意思是垂直于该轴线。例如，轴向距离指的是沿着或平行于轴线测量的距离，并且径向距离意思是垂直于该轴线测量的距离。向下打眼的井柱是一系列被结合在一起的钻杆和部件，其被构造为在钻孔中工作。井柱的总长度通过其中将使用井柱的钻孔的深度来确定。井柱的具体构造通过其有意用途来确定。石油和天然气行业中的向下打眼井柱的例子为钻井井柱、完井井柱和生产井柱。井柱可包括被连接在一起的钻杆接头、钻杆立柱、钻头、稳定器和其他向下打眼部件。这些部件可具有不同直径。因而，井柱的直径可能沿其长度变化。首先参考图I,其示意性示出井操作系统300的实施例。井操作系统300包括示意性示出为陆地钻井塔的钻井塔305，但是其他钻井塔(例如，海上钻井塔和钻井平台、自升式钻井塔、半潜式钻井平台、钻井船等等)也在本公开的范围内。钻井塔305包括被支撑在钻井塔地板314上的钻架310。钻井塔305还包括起重设备，其包括通过缆索319相互连接的被安装至钻架310的天车316和游车318，通过绞车320 (具有马达或几个马达320m)驱动缆索319，以控制游车318的向上和向下运动。游车318带有吊钩322，其悬置顶驱系统324。可使用动力水龙头代替顶驱系统。顶驱系统324旋转驱动轴332，驱动轴332旋转钻孔334内的钻柱330。能够操作顶驱系统324，以在任一方向上旋转钻柱330。可任选地，可由布置在钻井地板(例如，钻井塔地板314)中的马达驱动转盘338旋转钻柱。通过仪表子系统340将钻柱330耦接至顶驱系统324，仪表子系统340包括提供钻井参数信息的传感器。控制系统和用户界面312控制钻井塔305的操作。
井系统300还包括夹紧装置1，其用于在组装和拆卸期间抓握和悬置钻柱330和/或驱动轴332。夹紧装置I被围绕钻孔334定位和安装在钻井塔地板314上，或者被耦接至另一部件，诸如转盘338。视需要，也能够在井操作期间安装或拆除夹紧装置I。钻柱330可为任何典型的钻柱，并且在一个方面中，钻柱330包括多个相互连接的钻杆段342 ;井底组件(BHA) 344，其包括稳定器、钻环、和/或一套随钻测量(MWD)仪器，该仪器包括导向工具346以提供钻头刃面角度信息。可任选地，与向下打眼或泥浆马达350和钻头352 —起使用弯接头348。钻孔334可具有钻孔套管336，其主要包括水泥和管道。仍参考图I，通过由马达或多个马达360m驱动的泥浆泵360，将钻井流体通过泥浆软管362传送至钻柱330。通过顶驱系统324、转盘338、泥浆马达350或其组合，使钻柱330在钻孔334内旋转。通过泥浆泵360供应的钻井泥浆将随着钻头352钻入大地而产生的钻屑带出钻孔334。夹'紧装置的第一实施例的物理说明 图2示出用于支撑向下打眼的井柱的部件的夹紧装置I的透视图。夹紧装置I包括夹紧机构8、驱动机构10和支撑结构3。驱动机构10操作夹紧机构8，从而与井柱330的组件(本文中为钻杆接头2)接合或与其脱离。支撑结构3将夹紧机构8和驱动机构10保持在一起，并且相对于转盘338、钻井塔地板314或另一接纳结构支撑它们以及接头2。支撑结构现在参考图3，支撑结构3包括足够刚性的矩形底板4 ;大体环形的底板转接器12，其附接至底板4的底部；以及多个转接器销14，其附接至底板转接器12的下表面，并且向下延伸超过该下表面。底板转接器图3中的环形底板转接器12被构造成装配到接纳结构中，诸如在转盘例如转盘338中的主补心。底板转接器12能够采取几种不同的构造，以匹配任何接纳结构。底板4的一些部分也可与接纳结构接触，并且由接纳结构直接支撑。底板转接器12包括将随后描述的与底板4中的狭槽5对应的狭槽5’。转接器销14的间隔和横截面形状被构造成匹配接纳结构中的接纳孔或狭槽(未示出)。底板参考图3和图4，底板4具有在底板4的最长尺寸方向上延伸的狭槽5。狭槽5为锁眼形，并且包括中心开口 7和交叉的侧开口 9。中心开口 7位于底板4的中心，或者靠近中心，并且与侧开口 9邻接。侧开口 9从中心开口 7延伸到底板4的外边缘11。中心开口7的直径比将由夹紧装置I保持的部件的最大直径大。底板4具有平行于侧开口 9并且垂直于边缘11的两个外边缘11’。返回参考图2，底板4的顶表面15被水平布置，并且包括两个对称的、局部深度的狭槽或“底板沟槽”6，在侧开口 9的每一侧上都有一个。每个底板沟槽6的大部分长度都平行于侧开口 9，但是底板沟槽6的最靠近外边缘11的末端从侧开口 9离开，以钝角延伸至边缘11’。在底板4的顶表面15上，导向条200、201、202、203被与侧开口 9和两个底板沟槽6平行地附接在侧开口 9和两个底板沟槽6之间。夹紧机构参考图5，夹紧机构8包括多个夹具，它们彼此相对并且与接头2(图2)径向接合，以将接头2以及附接的井柱部件悬置在中心开口 7中。夹紧机构8被可滑动地安装在底板4的顶表面15上。在图5的实施例中，夹紧机构8具有主夹具体17和两个辅助夹具体73、75。当辅助夹具体73、75被构造成抓握接头时，辅助夹具体73、75被与主夹具体17相对地定位，并且由销109相互连接。如下文更详细所述，夹具体17、73、75由驱动机构10保持和控制，并且平行于底板4的顶表面15移动。参考图5和图7，主夹具体17具有大致矩形形状，其具有接纳下文所述的驱动机构10的部件的凹部。主夹具体17具有面对中心开口 7的前面19、顶面23、背面39以及两个通孔16、18，两个通孔16、18的中心轴线16’、18’平行于底板4中的狭槽5的侧开口 9延伸。一个通孔16及其中心轴线16’位于侧开口 9的一侧，并且另一通孔18及其中心轴线18’位于侧开口 9的另一侧。如图7中所示，在主夹具体17的前面19上的凹进的弯曲表面19’内安装具有嵌入式压模插入体25的多个可枢转的压模插入体保持器24。压模插入体25抓握被接纳在中心开口 7中的接头2。再次参考图5，压模插入体25被两个端板21保持在适当位置。一个端板21安装在主夹具体17的顶面23上，并且另一端板(未示出)被安装至主夹具体17的底侧。邻近背 面39，主夹具体17结合有下文更详细描述的液压控制块20。如图5和图7中所示，辅助夹具体73、75由销109连接，以形成一种与主夹具体17类似尺寸和作用的结构。辅助夹具体73、75被布置在主夹具体17的中心开口 7的相对侧上，并且当由销109连接时，跨越底板4中的侧开口 9。如图2中最佳示出，辅助夹具体73、75分别包括联锁肋78、80。销109穿过肋78、80布置。辅助夹具体73、75还包括靠近底板4的中心开口 7布置的枢轴接头99、100，以及更靠近底板4的外边缘即边缘11和11’的可旋转接头104、114。可旋转接头104、114的底部包括向下延伸到底板沟槽6中的延伸销(未示出)。在该实施例中，可旋转接头104、114的延伸销不穿过底板4，但是在底板沟槽6中延伸。枢轴接头99、100和可旋转接头104、114都具有与底板4的顶面15垂直的竖直轴线。参考图7，在包括枢轴接头99、100的区域中，水平(即平行于顶面15)且大致矩形的狭槽74、76被加工到辅助夹具体73、75中，以便将枢轴接头99、100分为上部和下部，以接纳驱动机构10的构件。枢轴接头99、100独立于底板4并且未被附接至底板4。在可旋转接头104、114的区域中，水平的矩形狭槽74’、76’(图2)被加工到辅助夹具体73、75中，以便将可旋转接头104、114分为上部和下部，以接纳驱动机构10的构件。仍参考图7，辅助夹具体73、75具有凹状的竖直延伸的表面79、81，在该表面上分别安装插入体承载器83、85。插入体承载器83、85的背表面与凹状的竖直表面79、81相符合。插入体承载器83、85大致面对底板4中的中心开口 7，并且大致与中心开口 7周向对齐。插入体承载器83、85具有面对中心开口 7的多个凹状的竖直延伸表面87、89。在表面87,89上分别安装多个更小的压模插入体保持器90、92。压模插入体保持器90、92保持具有有齿表面的压模插入体91、93，以抓握接头2的圆周。压模插入体保持器90、92的背表面与插入体承载器83、85的凹状的竖直表面87、89相符合。主夹具体17和辅助夹具体73、75中所结合的上述抓握元件和弯曲表面允许当接头2落入指定直径范围内时压模插入体25、91、93的取向自动调整至接头2的弯曲表面。在美国专利No. 6，971，283和7，748，297中示出和描述了抓握元件，在此通过引用将其每个专利的全部公开并入。
驱动机构参考图7，驱动机构10包括一对平行心轴45、47、一对驱动马达27、29、一对驱动齿轮41、43、一对防松螺母61、63以及一对流体动力缸103、105。在图6中更易于观察驱动齿轮41、43。随后将描述驱动机构10的驱动控制系统。可在其他实施例中使用更多数目的本实施例中成对使用的部件。心轴45,47具有前端95、97、后端96,98和中 心轴线45，、47，，中心轴线45，、47，与主夹具体47中的中心轴线16’、18’同轴，因此平行于底板4中的侧开口 9。螺纹49、51从后端96、98延伸跨过心轴45、47的大部分长度。心轴45的前端95被插入辅助夹具体73内的矩形狭槽74中，并且心轴47的前端97被插入辅助夹具体75内的矩形狭槽76中。前端95、97经由枢轴接头99、100耦接至辅助夹具体73、75。通过该布置，心轴45、47被固定，以防止相对于心轴中心轴线45’和47’旋转。心轴45的后端96被插入主夹具体17中的通孔16中，并且心轴47的后端98被插入主夹具体17中的通孔18中。因此，心轴45、47与通孔16、18同轴。心轴45、47可滑动地接合平滑且无螺纹的通孔16、18，并且能够相对于主夹具体17线性移动。类似地，主夹具体17能够相对于心轴45、47轴向滑动。如图2中最佳示出的，心轴45、47的后端96、98也可滑动地接合L形安装支架31、33的竖直部分中的安装支架孔32、34，其靠近离外边缘11最远的底板4的末端附接。通孔16、18和安装支架孔32、34可包括平滑补心，以降低摩擦。仍参考图7，驱动机构10包括两个驱动马达27、29，其同时运行但是以相反方向旋转。驱动马达27、29安装在底板4的顶表面15上，并且包括平行于心轴轴线45’、47’延伸的驱动轴，并且驱动马达27、29靠近心轴后端96、98布置。可使用安装支架31、33或其他适当的安装固定装置将驱动马达27、29固定至底板4。在所示实施例中，驱动马达27、29为液压传动马达，然而也可使用其他类型的马达代替，例如电动马达。驱动齿轮41、43分别被耦接至驱动马达27、29，并且被靠近心轴后端96、98布置。防松螺母61、63安装在心轴45,47上，并且具有与心轴螺纹49、51接合的内螺纹。结果，防松螺母61、63旋转并且在心轴45、47上平移。防松螺母61、63还邻近于驱动齿轮41、43，并且与其匹配接合。如图6中更清晰所示，防松螺母61、63具有外齿65、67，外齿65、67与驱动齿轮41、43的伸长的外齿69,71啮合且沿驱动齿轮41、43的伸长的外齿69、71的表面滑动，并且在滑动时仍包括与齿69、71接合。因而，当驱动齿轮41、43由驱动马达27、29旋转时，驱动齿轮41、43旋转防松螺母61、63，并且旋转中的防松螺母61、63沿心轴45、47移动，同时沿伸长的外齿69、71滑动。驱动齿轮41、43被定位在其各自心轴45、47的相对侧上。也就是说，一个驱动齿轮位于其心轴的右手侧，而另一驱动齿轮位于其心轴的左手侧。结果，驱动马达27、29必须以相反方向旋转，从而使防松螺母61、63同时在相同方向上行进。心轴45、47上的螺纹49、51和防松螺母61、63的配合内螺纹具有足够小的螺纹角，以便当施加切向力，诸如通过旋转中的驱动齿轮41和43施加切向力时，防松螺母61、63将仅在各自心轴45或47上旋转。当施加轴向力，诸如夹具体17抓握接头2时施加的反作用力时，防松螺母61、63将不旋转。因此，使用术语“防松螺母”来描述部件61和63。通过图7和图8应理解，防松螺母61、63能够在朝着中心开口 7的向前方向上沿心轴45、47行进，推动主夹具体17的后面39。当主夹具体17与中心开口 7中的接头2接合时，主夹具体17的运动停止。如图7中所示，防松螺母61、63也能够在向后方向上行进，直到它们由于与安装固定装置31、33的接合而停止。由于防松螺母61、63未附接至主夹具体17，所以在该实施例中，防松螺母61、63不拉动夹具体17以将其缩回。而是通过流体动力缸103、105的力使夹具体17从中心开口 7缩回。再次参考图5，驱动机构10还包括流体动力缸103、105。流体动力缸103在其一端处经由枢轴接头102耦接至主夹具体17，并且在其另一端处经由可旋转接头104耦接至辅助夹具体73。类似地，流体动力缸105在其一端处经由第二枢轴接头112耦接至主夹具体17，并且在其另一端处经由可旋转接头114耦接至辅助夹具体75。在所示实施例中流体动力缸103、105为液压缸，但是也可以为气压缸。流体动力缸103、105为线性致动器的例子。总的来说，可使用包括不以流体为动力的那些致动器的线性致动器，来实现与流体动力缸103、105相同的目的。在一些操作模式中，如下文更全面所述，流体动力缸103、105与心轴45、47平行排列。
驱动控制系统现在参考图8和图9，驱动控制系统180提供液压流体，从而在将接头2抓握在中心开口 7中时，驱动流体动力缸103、105、驱动马达27、29的间或同时运动，并且进行检测和作出反应。夹紧装置I包括力检测机构115 (图8)，其用于感测何时防松螺母61、63朝着中心开口 7推动主夹具体17，以及同时感测何时压模插入体保持器24中的一个相对于接头闭合(图8中的压模插入体保持器24a)。力检测机构115被靠近背面39地结合在主夹具体17中，并且其包括液压控制块20、插装阀116、118、120、推动销122、124、126、杆128、130、耐磨元件132、134、弹簧加载销136、以及用于高压液压流体处理的操控管线138。耐磨元件132、134附接至防松螺母61、63的前端。液压控制块20包括上述插装阀116、118、120、推动销122、124和包括导向管线136的用于控制信号的液压通道。导向管线136与力检测机构115内的高压液压流体连通，从而当接头2已被夹紧机构8抓握时(图2)，向驱动控制系统180的其他部分提供信号。随着防松螺母61、63朝着中心开口 7推动主夹具体17，耐磨元件132、134邻接于杆128、130，其继而在推动销122、126上施加力，并且因此开启插装阀116、120。随着继续行进，由主夹具体17承载的压模插入体保持器24最终接触并且压靠接头2，这导致压模插入体保持器24也压靠被嵌入主夹具体17中的相邻的弹簧加载销136。弹簧加载销136压靠推动销124，其推动并且开启第三阀，即插装阀118。如上所述，插装阀116、120保持开启。一旦所有三个插装阀116、118、120都开启，作为响应，高压液压流体就经由操控管线138到达驱动控制系统180的另一部分(如下文所述)。三个插装阀116、118、120连续地接入，所以在发出液压信号之前，必须同时开启所有插装阀。作为替换方式，杆128、130和弹簧加载销136每个都能压靠专用接近传感器，从而当抓握接头2时向驱动控制系统180发送分离电信号。驱动控制系统180能够容易地适合于接收并且利用这些信号。图9示出一种用于控制夹紧装置I的操作的驱动控制系统180的示意图。流体供应管线139将加压液压流体从泵或供应储存器(未示出)输送至减压阀141 (设定为系统运行压力)，其流入方向控制阀(四通、三位、四端口)140。泄压阀143 (设定为系统运行压力)布置在减压阀141和方向控制阀140之间，以保护系统不受过高压力。例如，在所示实施例中，可分别将阀141、143设定为2000psi和2200psi。也经由流体管线142、144将方向控制阀140连接至流体动力缸103、105。方向控制阀140确定流体动力缸103、105是伸出还是缩回，并且确定驱动马达27、29的旋转方向。当方向控制阀140向流体管线142供应加压流体时，流体进入缩回的流体动力缸103、105的杆端，导致将夹具体17、73、75 —起朝着接头2拉动(图8)。可替换地，当将加压流体供应至流体管线144时，流体进入伸出的流体动力缸103、105的盖端，导致夹紧机构8即夹具体17、73、75分开，并且因而释放接头2。减压阀145被布置在通往流体动力缸103、105的盖端和驱动马达27、29 (经由阀153)的流体管线144和144’中，从而在开启夹具体17、73和75期间提供低压。在该例子中，可将减压阀145设定在500psi。然而，当闭合夹紧机构8时，流体以相反流动方向流动，即从管线144’返回至管线144，绕过阀145，代替地选择通过止回阀164行进。方向控制阀(三通、二位、三端口)146布置在流体管线142中，以在缸103、105延伸以开启夹紧机构8时控制流体填充缸103、105的盖端的速度。为了完成该步骤，首先，方向控制阀140将流体传输至流体管线144和144’。同时，如图9中所示的位置中所构造的，方向控制阀146通过阀146内的集成弹簧被转换至第一或“开启”位置。因而，阀146的“开启”位置相当于其“原始”位置。在该开启位置中，方向控制阀140将流体通过弹簧加载的止回阀149从缸103、105的杆端排出，并且使其进入正在填充盖端的加压管线144’。这有可 能是因为在缸103、105的杆端上，推动和排出液压流体的活塞区域是环形的。因此，杆端面积小于盖端处的该活塞的全部圆形面积。当来自流体管线144的压力进入流体管线144’并且然后对缸103、105的盖端进行加压时，力被施加在活塞的盖端上(由流体施加在活塞的盖端上的力等于流体管线144’中的压力乘以活塞的盖端的面积)。通过一些摩擦力损失，在杆端中的流体上施加基本相等的力。然而，由于杆端具有更小面积，而活塞施加相同的力，所以杆端中的最终压力大于正在填充的盖端中的压力(杆端中的最终流体压力等于由活塞施加的力除以活塞的杆端面积)。然后，在更高压力的情况下，来自杆端的流体就能够行进通过方向控制阀146、通过弹簧加载止回阀，并且进入流体管线144’。向缸103、105的盖端增加流体体积流量提高了伸出速率。应注意，对于活塞的每一行进距离(例如，一英寸)，杆端都将排出比填充膨胀的盖端所需的更少的流体，所以流体能够不断从止回阀149和流体管线144流动。当被转换至第二或“闭合”位置时，将方向控制阀146设定为通过将流体引导至缸103、105的杆端来闭合夹紧机构8。当然，方向控制阀140首先应将加压流体传输至流体管线142。然后，管线142对流体导向管线168进行加压，其改变方向控制阀146的方向。如参考图9所述，应将阀146的内部位置转换至左侧。同时，管线142中的流体准备进入阀146。在第二位置中，方向控制阀146允许来自管线142的流体穿过，但是不对到缸103、104的流体流速产生其他影响。因此，缸103、105以“通常”速度，即受系统压力影响的速度压缩(缩回)。夹具体17和耦接的一对夹具体71、74被彼此更接近地拉动。可替换地，在开启夹紧机构8时，方向控制阀146能够仍保持在第二位置中，使得管线142始终与缸103、105的杆端连通。在该替换情况下，缸103、105的伸出和缩回都应以相同的“通常”速度，即受系统压力影响的速度发生。流体管线148和148’将流体管线142连接至每个驱动马达27、29的其中一侧。马达27、29的另一侧经由流体管线152连接至流体管线144’。对于给定运行模式_开启或闭合，马达27、29都接收来自相同来源，即管线148或管线152的加压流体。然而，马达被单独地接入，以便对于给定的运行模式，它们以相反方向旋转。驱动马达27、29每个都响应于流体管线148中的流体压力而以相反的规定方向旋转，以闭合夹紧机构8。两个驱动马达27,29都响应于流体管线152中的流体压力而使它们的方向反向，以开启夹紧机构8。在两个马达27、29都反向后，驱动马达27再次以与驱动马达29相反的方向旋转。在流体管线148、152中布置截止阀151、153，从而如下文所述，当以“拆除模式”操作时(图4)隔离驱动马达27、29。返回图9，在流体管线148和流体管线148’之间布置减压阀150，从而在闭合夹紧机构8时将到达驱动马达27、29的压力限定至预定值，例如500psi。在相反的流动方向中，当开启夹紧机构8时，从马达27、29返回的流体进入管线148’，但是绕过阀150，替代地选择通过止回阀166行进，以便到达管线148。减压阀150对缸103、105的压力和速度无影响。已说明过，在开启夹紧机构8时，另一减压阀，即阀145降低两个马达27、29和缸103、105的压力。在夹紧机构8闭合时且接头2或其他部件已抓握之前，马达27、29在由阀150调节的较低压力下运行。在通过插装阀116、118、120检测到接触并且抓握接头后，经由操控 管线(图8中的138)将马达27、29转换至高扭矩夹紧模式。为了描述高扭矩夹紧模式如何运行，首先将解释必要的管路。每个插装阀116、118、120都具有三个有效端口和“C”。在图9中，第一端口，即端口 A示出为处于每个插装阀116、118、120的顶部。第一端口，即端口 A用作正常连接排出端口，并且被连接至流体返回管线154，流体返回管线154被连接至流体返回管线156，以引回到液压流体储存器。插装阀116的第二或进口端口，即端口 B从插装阀供应管线142’接收流体，其从方向控制阀140经由流体管线142供给。然后，插装阀116的第三端口，即端口 C被串联连接至插装阀118的端口 B。继而，将插装阀118的端口 C串联连接至插装阀120的端口 B。最后，将插装阀120的端口 C连接至操控管线138以及顺序阀155。将操控管线138的另一端连接至减压阀150上的控制信号输入端，减压阀150控制被输送至驱动马达27、29的在管线148’中的流体的压力。在夹紧机构8绕接头2闭合时，当分别同时通过杆130、通过弹簧加载销136和通过杆128致动插装阀116、118、120时，便开始高扭矩夹紧模式。该事件的发生导致来自插装阀供应管线142’的高压液压流体依次穿过每个插装阀116、118、120，并且最后到达操控管线138和顺序阀155。操控阀138中的高压流体调整减压阀150，并且允许增加的流体压力从流体管线148传递至驱动马达供应管线148’，提高马达27、29的扭矩，并且因此提高接头2上的夹具体17、73、75的抓握。在夹具体8绕接头2闭合时，流体动力缸103、105始终可获得高压液压流体。继续高扭矩夹紧模式，被设定在预定压力例如1750psi下的顺序阀155将高压信号经由流体管线160传递至抓握指示装置158和控制面板170，以通知操作者和/或驱动控制系统180的其他部件接头2已被夹紧装直I抓握。随后，驱动控制系统180能够将来自顺序阀155或来自抓握指示装置158的消息传达至井操作系统303的控制系统和用户界面312。然后，在操作者发出信号并且驱动机构开始反向并且释放接头2之后的某一时间，杆130、弹簧加载销136和杆128释放它们对闭合的插装阀116、118、120施加的力。每个插装阀116、118、120再次将其自身的端口 C连接至其自身的端口 A，从而将高压释放至流体返回管线154并且最终到达流体返回管线156。在该过程中，高压流体从操控管线138通过插装阀120排出，使减压阀150恢复至其通常的、较低设定点，并且降低供应给到驱动马达27、29的流体压力。同时，来自抓握指示装置158的加压流体回流通过指示器流体管线160和止回阀162，绕过顺序阀155，流经插装阀120，并且最终到达流体返回管线156。在图9中所示的实施例中，抓握指示装置158为弹簧恢复的单动式缸。然而，可替代地使用其他类型的指示装置，例如压力开关。控制阀140、减压阀141、泄压阀143以及发信号或抓握指示装置158的位置能够位于单独的驱动系统控制面板170上，控制面板170可配备有若干种选项，以控制夹紧装置I的安全“联锁”或与控制系统和用户界面312通信，控制系统和用户界面312对井操作系统300进行完全控制。驱动系统控制面板170可具备控制其他工具如动力卡瓦(未示出)的能力。如果使用单独驱动系统控制面板170，在夹紧装置I和驱动系统控制面板170之间就仅需要两条高压流体管线。这些管线为流体管线142、144，它们在供应以驱动流体动力缸103、105和驱动马达27、29与返回以驱动流体动力缸103、105和驱动马达27、29之间交替。也可提供两个另外的低压管线。一个为专用流体返回管线156，另一个为指示器流体管线160。 夹'紧装置的第一实施例的一般操作现在将描述关于上述夹紧装置I的操作的另外细节。夹紧装置I在其运行顺序或循环中具有三种主要模式。这些模式为操作闭合、操作开启和拆除模式。将依次讨论这些模式。首先将描述该模式的物理布置和目的。然后，将描述从上一模式转变至该模式的方法。操作闭合模式参考图2、图6和图8能最好地理解夹紧装置I的操作闭合模式。在该模式中，夹紧机构8径向接合钻杆接头2，钻杆接头2为井柱诸如图I中的钻柱330的部件。在接头2下方以及可能在其上方可附接另外的部件。附接在接头2下方的另外部件能够延伸到夹紧装置I下方的钻孔334中。夹紧机构8能够抓握接头和其他具有在预定直径范围内的直径的部件，例如在一个实施例中直径为6-10英寸。在可包括具有不同直径的部件的井底组件的情况下，该抓握范围特别有用。该预定范围能够包括在井底组件中出现的所有不同直径。夹紧机构8将通过驱动机构10简单地进一步开启或进一步闭合，从而例如在井底组件344进入钻孔334或井底组件344从钻孔334缩回期间，抓握井底组件的不同部分。对于落入预定范围内的直径，调整夹紧机构8不需要替换或拆除夹紧机构8的任何部分。对于新的预定范围，能够替换夹紧机构8的部分，诸如插入体承载器83、85。在替换该部分后，夹紧机构8将抓握具有落入新预定范围内的直径的接头。例如，对于所述实施例，能够选择用于夹紧的预定直径范围包括4-6英寸、6-10英寸和8-12英寸；然而，也可能有其他范围。夹紧装置I能够保持竖直负荷(例如，接头2以及附接至接头2的其他接头和部件的重量)、水平力以及沿接头2的轴线施加的顺时针或逆时针扭矩。因而，当拼扣或卸开接头之间的连接时，可将夹紧装置I用作支持工具。保持接头2的夹紧力通过被施加至驱动机构10的液压压力确定，并且与接头的重量无关且与可附接至接头2的钻柱的重量无关。提供了指定夹紧力与负荷无关的该能力，以允许系统支撑更大负荷重量，而不压坏所夹紧的部件，例如接头2。这与使用传统的卡瓦不同，在使用传统的卡瓦时，部件上的抓握力直接关联所支撑的重量，并且有时将过大径向力施加至被支撑的部件。
通过底板4，可将夹紧装置I耦接至任何适当的结构，例如钻孔334上方的转盘338或钻井塔地板314。当通过底板4下的底板转接器12将夹紧装置I安装至接纳结构时，底板转接器12将能够向接纳结构转移由所支撑的负荷同时或单独施加至夹紧机构8的竖直、水平和扭矩的负荷。可替代地，底板4的一部分或全部都可与接纳结构接触，或者由该接纳结构直接支撑。来自所支撑负荷的负荷力和扭矩将被从夹紧机构8转移至导向条200、201、202、203 (图7)，以及转移至包括安装支架31、33的驱动机构10，以及转移至接头104、114。然后，将负荷力和扭矩转移至包括其中安置接头104、114的底板沟槽6的底板4，并且然后转移至底板转接器12，并且转移至接纳结构。
_0] 操作开启模式参考图5最佳描述夹紧机构I的操作开启模式。在该模式中,压模插入体25、91、93已从接头脱离，在中心开口 7中已不再示出该接头。由主夹具体17和辅助夹具体73、75 承载，压模插入体25、91、93已被从中心开口 7的中心移动至其外围。为了从操作闭合模式转换至操作开启模式(从图6至图5)，将缸103、105移动至伸出位置。缸103、105的伸出使得该对辅助夹具体73、74以及单个主夹具体17在平行于底板4的方向上彼此移动离开，并且移动离开中心开口 7的中心。同时，驱动齿轮41、43旋转以在相反方向上驱动防松螺母61、63。随着在相反方向上驱动防松螺母61、63，它们旋转并且沿心轴45、47平移，直到它们邻接安装支架31、33。如上文所述，防松螺母61、63未附接至主夹具体17，因此不将主夹具体17拉动离开中心开口 7。相反，随着流体动力缸103、105伸出，该对辅助夹具体73、75和单个主夹具体17被彼此推开，并且因此离开中心开口 7。由于夹紧机构8和驱动机构10未被刚性固定至底板4，而是在底板4上横向浮动，所以缩回期间，不指定夹具体17、73、75的运动模式，直到可旋转接头104、114的底部处的延伸销达到底板沟槽6的远端(在图5中观察为左侧)，或者直到防松螺母61、63邻接安装支架31、33并且主夹具体17达到且邻接防松螺母61、63。也就是说，随着流体动力缸103、105伸出，辅助夹具体73、75可能首先达到底板4的左侧，或者主夹具体17可能首先达到底板4的右侧，或者这些事件能够同时发生。随后，在向操作闭合模式转变时，该横向“浮动”允许夹紧机构8和驱动机构10在被布置在中心开口 7中的接头2上自定中心，即使接头2不处于中心开口 7的中间也是如此。在操作开启模式中，与操作闭合模式相同，缸103、105保持与心轴45、47平行。拆除模式在图4中示出夹紧装置I的拆除模式或完全开启位置。在该模式中，已从辅助夹具体73、75拆除连接销109 (图2)，并且辅助夹具体73、75已绕枢轴接头99、100且相对于底板4旋转。结果，不阻碍底板4中的狭槽5，并且经由侧开口 9横向接近中心开口 7是可能的。在拆除模式中，无论是否已将钻柱330布置在钻孔334中以及可能从钻孔334向外延伸，都能够将整个夹具体I从钻孔334拆除或将其放置在钻孔334上。当与钻孔334对齐时，中心开口 7能够接纳钻柱330的接头2，钻柱330被布置在钻孔334中，或者钻柱330进入钻孔334中或从钻孔334拆除。在改变至拆除模式之前，首先必须将夹紧装置I放置在操作开启模式中，以便将辅助夹具体73、75完全定位在底板4的左侧。为了从操作开启模式移动至拆除模式(从图5至图4)，通过截止阀151、153将驱动马达27、29与液压流体压力隔离，并且驱动马达27、29不旋转，以便使枢轴接头99、100保持在其当前位置不横向移动。从辅助夹具体73、75拆除销109。然后流体动力缸103、105缩回。这在辅助夹具体73、75上施加绕枢轴接头99、100的旋转运动，并且辅助夹具体73、75向外并且离开狭槽5运动。随着辅助夹具体73、75旋转，可旋转接头104、114的延伸销(未示出)从底板沟槽6的侧开口移出，并且离开底板4。在拆除模式中，中心开口 7可通过侧开口 9接近，并且压模插入体25、91、93不定位成抓握在中心开口 7中布置的接头。在拆除模式中，能够通过横向移动夹紧装置I将其从钻孔334上方的位置拆除。如果在钻孔334上方存在其他结构或设备件，则该特征尤其有用。夹紧装置I的该设计使得在对竖直布置和在高处的其他结构或设备的很少或无干扰的情况下能够从钻孔334上方的位置拆除夹紧装置I。当在钻孔334上安装夹紧装置I时也是如此，其也通过使用“拆除模式”完成。在拆除模式中，缸103、105移动至这样的位置，其相对于心轴45、47成角度，并且因而不再与其平行。为了从拆除模式变回到操作开启模式(从图4中所示的位置到图5中所示的位置)，缸103、105伸出，同时驱动马达27、29被隔离并且不旋转。这使辅助夹具体73、75朝 着狭槽5摆动。可旋转接头104、114的延伸销进入并且移动穿过底板沟槽6的侧开口，并且朝着狭槽5的侧开口 9移动。辅助夹具体73、75返回至其在操作开启模式中的前一位置(图5)。然后，能够使用连接销109将辅助夹具体73、75固定在一起。一旦实现操作开启模式，夹紧机构8就防止从侧开口 9横向接近中心开口 7。为了从操作开启模式移动至操作闭合模式(从图5中所示的位置至图6中所示的位置)，缸103、105缩回，并且使辅助夹具体73、75相对于主夹具体17移动。以该方式，夹具体17、73、75朝着中心开口 7移动。同时，驱动齿轮41、43旋转防松螺母61、63，使得该防松螺母沿心轴45、47朝着中心开口 7行进。防松螺母61、63接合主夹具体17，并且在相同方向上推动主夹具体17。这些同时动作绕接头2拉动夹具体17、73、75。参考图6，在操作闭合模式中，与夹具体17、73、75关联的压模插入体25、91、93径向抓握被布置在中心开口 7中的接头2。压模插入体25、91、93的位置可自调整，以适应在预定直径范围内的大直径井柱部件或小直径部件。随着夹具体17、73、75平行于底板4且朝着或离开中心开口 7的中心移动，压模插入体25、91、93的位置调整，以匹配将抓握的接头的直径。心轴45、47和导向条(200、201、202、203)限定夹具体17、73、75沿其行进的平行线性路径。在操作闭合模式中，缸103、105平行于心轴45、47并且彼此平行，并且处于缩回位置。当夹具体17、73、75与接头接合时，流体动力缸103、105和驱动马达27、29都向夹具体17、73、75施加夹紧力。如图8中所示，防松螺母61、63与主夹具体17的后面39接合。防松螺母61、63接合和心轴45、47将夹具体17、73、75机械锁定在任何(可变)位置，以适应接头尺寸。即使失去驱动马达27、29的动力，防松螺母61、63也能够保持其沿心轴45、47的位置。该锁定是在驱动控制系统180中存在动力故障情况下的机械备份安全装置。参考图8和9，使用指示装置158来指示夹紧装置I何时处于操作闭合模式，即何时抓握接头2。当所有阀116、118、120被激活时，夹紧装置I处于操作闭合模式。在该模式中，向驱动马达27、29供应高压流体(经由操控管线138)，从而使夹紧机构8能够收紧其在接头2上的抓握。在任何操作阶段或在几个操作阶段期间，都可结合井操作系统300使用夹紧装置I。例如，可在调查探测期间、在最初钻井期间、已在一些或全部钻孔上增加套管和水泥的连续钻井期间、和/或在生产期间使用夹紧装置I。因此，夹紧装置I可与探井、生产井或其他井相关操作一起使用。夹'紧装置的第二实施例的物理说明图10示出用于支撑向下打眼的井柱的部件的夹紧装置500的前透视图。图11示出夹紧装置500的后透视图。夹紧装置500主要包括支撑 结构505、夹紧机构630和驱动机构800。驱动机构800操作夹紧机构630，从而接合井柱的部件或与其脱离。支撑结构505将夹紧机构630和驱动机构800耦接在一起，并且相对于转盘338或钻井塔地板314(图I)或另一接纳结构支撑夹紧机构630和驱动机构800以及井柱部件。支撑结构现在参考图12，支撑结构505包括足够刚性的大致矩形的上部底板510、足够刚性的大致矩形的下部底板570、锁眼状狭槽520、多个气动风箱状体590、多个行程限制底板引导组件605、以及多个转接器凸耳508，其被附接至下部底板570的底部表面，并且向下延伸超过下部底板570的底部表面。锁眼状狭槽520包括中心开口 522和侧开口 524，并且延伸通过整个支撑结构505。锁眼状狭槽520接纳向下打眼的井柱的部件。下文将更详细地描述锁眼状狭槽520的构造。上部底板仍参考图12，上部底板510包括水平顶表面512、外边缘514 (前边缘)、两个长外边缘516以及锁眼状狭槽520a。锁眼状狭槽520a在上部底板510的最长尺寸的方向上延伸，并且包括中心开口 522a和交叉的侧开口 524a。中心开口 522a的中心523a (图14)位于或者靠近上部底板510的中心。中心开口 522a与侧开口 524a邻接。侧开口 524a从中心开口 522a延伸到外边缘514，并且将外边缘514分为两部分。中心开口 522a的直径比将由夹紧装置500保持的最大直径接头更大。顶表面512包括两个T形狭槽535，侧开口524a的每一侧上都有一个，并且延伸上部底板510的整个长度。在顶表面512上，靠近整个外边缘514且包括整个外边缘514地形成两个L形凹部540，在侧开口 524a的每一侧上有一个。L形凹部540与T形狭槽535相交，并且因而移除了 T形狭槽535的一部分。也就是说，T形狭槽535终止于L形凹部540中。每个L形凹部540都包括靠近T形狭槽535的末端的竖直V形缺口 542。在拆除夹具体655之前，凹部540和缺口 542 —起提供空隙，以在夹具体655的底部提供双L闩锁690。下文描述在图10中出现的部件690和655。如图12中所示,沿上部底板510的所有边缘,例如外边缘514和外边缘516布置的是多个小的螺纹孔，以螺纹接合用于附接底板侧盖530的机器螺钉。如图12中最佳示出的，上部底板510包括用于接纳和附接夹紧装置500的其他构件的另外的特征部。在侧开口 524a的每一侧上，在表面512中形成三个凹部546，其用于接纳下文所述的终点挡板547。终点挡板凹部546a沿外边缘514布置，并且与T形狭槽535 —致。终点挡板凹部546b几乎在一个方向上与中心开口 522a的中心523对齐，并且在另一方向上被均勻间隔在T形狭槽535和最近的外边缘516之间。终点挡板凹部546c靠近上部底板510的作为相对外边缘514的边缘布置。形成两个狭槽548，以匹配接纳导向条550 (图15)。导向条550和它们的狭槽548平行于T形狭槽535，并且几乎与中央开口522a的相对两侧相切，并且位于相对两侧上。每个导向条550的中心都与中心开口 522a的中心523a对齐。同样地，将导向条550定位为邻近这样的区域，其中T形狭槽535与中心开口 522a相交。导向条550帮助夹具体655在其中T形狭槽535不存在且因此不能提供引导的区域中运动。继续参考图12，用于气动风箱状体590的附接凹部552为在顶表面512中形成的第三接纳特征部。形成五个这样的凹部552。在每个风箱状体附接凹部552中，都穿过上部底板510加工出中心孔554和四个钻孔(未示出)，以接近和安装气动风箱状体590。在五个风箱状体附接凹部552中，四个风箱状体附接凹部552以矩形图案绕中心开口 522a均匀地布置。这四个中的每一个都在一侧的中间结合有为气动连通管线提供的L形沟槽556。第五风箱状体附接凹部552b在中心开口 522的与侧开口 524a相对侧上形成，并且不具有用于空气供应的沟槽。靠近上部底板510的四个外部角布置具有中心轴线563的四个椭圆形孔或狭槽562 (图17)，以接纳和附接下文所述的行程限制地板引导组件605 (图19)。使用狭槽562代替圆孔，以避免伸出或缩回时约束组件605的可能性。上部底板510还包括钻孔564和同心埋头孔566，以接纳重量传感器760，重量传感器760在下文描述并且靠近中心开口 522a的相对侧上的第五风箱状体附接凹部552b布置。
下部底板参考图12和图13，在上部底板510之下并且与其耦接地布置下部底板570。下部底板570具有水平顶表面572、外边缘574 (前边缘)、两个长的外边缘576以及在下部底板570的最长尺寸方向上延伸的锁眼状狭槽520b。锁眼状狭槽520b包括中心开口 522b和交叉的侧开口 524b。中心开口 522b的中心523b位于下部底板570的中心处或靠近下部底板570的中心定位。中心开口 522b邻接侧开口 524b。侧开口 524b从中心开口 522b延伸到下部底板570的外边缘574，并且将外边缘574分为两个部分。中心开口 522b具有截头圆锥形状其具有与上部底板510上的相应中心开口 522a的直径匹配的上部直径，以及比其上部直径大的下部直径。换句话说，中心开口 522b的直径朝着底部扩张。仍参考图12和图13，四个转接器翼578水平地延伸离开长外边缘576，并且被绕中心开口 522b以矩形图案布置。第五转接器翼578水平地延伸离开与外边缘574相对的边缘的中心。如图12中最佳示出的，其中三个转接器翼578具有附接有摆动起重环579的凹部。为了提供一种与接纳结构诸如转盘338、动力卡瓦或其他这样的支撑结构接合并将力和扭矩传递到其上的装置，转接器凸耳508被附接至转接器翼578的底部。现在关注图13，下部底板570包括五个风箱状体接纳埋头孔580，其与上部底板510中的相应中心孔554轴向对齐。每个埋头孔580都具有四个圆周定位、均匀间隔的螺柱钻孔581，以接纳用于保持风箱状体590的螺柱。在下部底板570中布置四个引导缸钻孔584，并且使其与上部底板510中的狭槽562的相应中心轴线563轴向对齐。另外，绕顶表面572上的中心开口 522b周向布置多个短圆柱突出体582。这些圆柱突出体582匹配上部底板510的底部表面中的埋头钻孔(未示出)，并且当夹紧装置500支撑井柱部件诸如钻管接头2的重量时，使上部底板510稳定以抵抗水平位移。气动风箱状体和引导组件再次参考图12，多个气动风箱状体590和多个行程限制底板引导组件605将上部底板510耦接并且支撑在下部底板570上方。气动风箱状体590给出夹紧装置500何时支撑或未支撑井柱330的重量的视觉指示。该视觉指示是安全特征。当井柱330的重量被施加至夹紧装置500时，气动风箱状体590中的压力升高。然后，通过排气泄压阀(未示出)释放风箱状体590中的空气，然后风箱状体590压缩。如图20中所示，上部底板510安置在下部底板570上。当通过绞车320 (图I)从夹紧装置500移除重量时，风箱状体590就膨胀，并且上部底板510就上升为图19中所示的构造。同时，随着将井柱的重量添加至夹紧装置500或从其中取下该重量，引导组件605限制行程，即竖直行进的距离，并且减少上部底板510的水平运动。在夹紧装置500中，如参考图12和图13所述，存在五个气动风箱状体590，其底端安装在适当的埋头孔580中，并且其顶端安装在附接凹部522中。在所示实施例中，气动风箱状体590包括两个气穴，然而，可使用具有更多或更少个气穴的风箱状体。气动风箱状体590具有圆形底板，其具有与下部底板570中的埋头孔580接合的螺柱。螺柱穿过下部底板570中的钻孔581，从而与螺母(未示出)螺纹接合。在顶端处，气动风箱状体590具有这样的螺柱，该螺柱穿过上部底板510，并且与风箱状体附接凹槽552中的螺母(未示出)螺纹 接合，并且由其保持。也可以其他装置来紧固风箱状体590。同样在风箱状体附接凹槽552中，九十度肘状风箱状体耦接头594在其一端处通过中心孔554附接至气动风箱状体590。风箱状体耦接头594的另一端面对用于附接至气动空气管线(未示出)的L形通道556。如图19和图24中所示，引导组件605是一系列轴向对齐的筒，其随着上部底板510在钻柱330的负荷下上升和下降而可伸缩地延伸以及交替地坍缩。在图24中更好地看出，引导组件605包括下部导套608、中间导套614、上部导杆620以及行程限制销626。下部导套608具有上部钻孔609和下部埋头孔610，产生面向下的内部圆形凸缘612。在引导缸608的顶部布置销凹槽611 (图13)，其垂直于引导筒608的中心轴线并且穿过引导筒608的中心轴线延伸。中间导套614具有第一外部直径615和更大的第二外部直径616，第一外部直径615限定大部分外表面，第二外部直径616被限制在小的底部部分。不同直径615和617产生面向上的外部圆形凸缘617，其接触内部圆形凸缘612，并且当引导组件605延伸时限制竖直运动的范围。中间导套614也具有轴向钻孔618和径向对齐销孔619，其水平地穿过中间导套614的侧壁，以接纳行程限制销626。上部导杆620具有径向对齐的销槽612，从而接纳行程限制销626。上部导杆620还具有径向对齐的横孔622，以接纳导杆保持销628并且与上部底板510结合(图19)。在图24中最佳示出如何组装引导组件605的部件以及各种部件的相对尺寸。最主要的，行程限制销626穿过中间导套614和上部导杆620，以限制引导组件605的向上延伸。夹紧装置500包括了其上端安装在上部底板510中的狭槽562中的四个引导组件605。下部导套608被附接在引导筒钻孔584内部，并且延伸超过下部底板570的顶表面572。每个下部导套608的上部的延伸部分都具有上部的外部直径613，其小于钻孔584的内部直径，但是与上部底板510的底部中的相应凹部(未示出)匹配。底板510的底部中的每个相应凹部都为圆形的，并且与配对狭槽562具有共同的中心轴线563。夹紧装置第二实施例的夹紧机构参考图18，夹紧机构650包括两个相对的夹具体655，它们朝着彼此移动，以接合和悬置中心开口 522内的井柱部件(例如，接头2)。参考图10，夹紧机构650被可滑动地安装在上部底板510的顶表面512上。夹紧机构650具有两个类似的夹具体655。第一或前夹具体655a跨越侧开口 524，并且面对支撑结构505中的锁眼状狭槽520的中心开口 522。第二或后夹具体522b定位在中心开口 522的相对侧上。后夹具体655b转至第一夹具体655a的相对方向，因此其也面对中心开口 522。夹具体655a、655b包括与接头2接合的抓握压模插入体722。夹具体655a、655b由驱动机构800保持和控制，并且平行于顶表面512移动。参考图10和图15，每个夹具体655都具有大致矩形形状并且包括两对水平布置的臂680。每对臂680都包括上臂和下臂。每对臂680都在夹具体655的面向外的末端上形成大致矩形凹部681 (图19中最佳示出)，以接纳下文更充分讨论的驱动机构800的部件。夹具体655也包括顶面656、大致面向中心开口 522的内部面660、外部面670和两个竖直轴 685。参考图15和图21，内部面660包括平坦区域以及两个凹状竖直延伸表面662，其共用处于内部面660的中间的公共中心边缘663。如图21的顶视图中所示，凹状竖直延伸表面662部分地面向彼此，并且部分地面向中心开口 522。如图21中最佳示出以及图22的 正视图中所不，表面662始于顶面656,并且向下几乎延伸至夹具体655的底部,产生位于中心的底部凸缘667。短的竖直定向的承载器保持销668 (图21)与底部凸缘667耦接并且在底部凸缘667上方延伸。从公共中心边缘663到承载器保持销668的水平距离大于从承载器保持销668到凹状的竖直表面662的外部竖直边缘664的距离。重新参考图10，夹具体655的上臂680与顶面656齐平或共面，并且是向外延伸并且离开侧开口 524a的水平金属板。下臂680类似，但是与夹具体655的底部共面或齐平。夹具体655的下臂和上臂680都朝着上部底板510的外边缘514延伸。在一侧上，下臂和上臂680限定夹具体655的外部面670的窄部分。面670包括基本半圆形的凹槽682a，其由竖直中心轴线698部分限定(图15)。如图10中最佳不出，夹具体655的顶面656具有与凹状竖直表面662的上部边缘邻近的矩形凹部658。仍参考图10,在大致处于上部底板510中的T形狭槽535上方的夹具体655中嵌入竖直轴685。竖直轴685充分靠近外部面670定位，以便外部面670包括向外弯曲的突出体。现在参考图IOa-IOb,在夹具体655中布置小闩锁空隙狭槽686，其与顶面656下方的外部面670相交。円锁空隙狭槽686绕一部分竖直轴685产生缺口。总体地，四个円锁空隙狭槽686布置在夹具体685的两个上部和两个下部角部中。每个狭槽686都滑动地接纳双L闩锁690。如下文所述，闩锁构件690为缸组件805从横跨侧开口 524的夹具体655横向摆动离开而提供空隙。闩锁空隙狭槽686足够长，以向双L闩锁690的配对构件提供竖直滑动的足够空间。在外部面670上安装四个滑动锁672。滑动锁672的轴水平地移动，并且与由夹具体655上的两个竖直轴685中的四个闩锁空隙狭槽686对齐且由它们接纳。再次参考图10，布置在夹具体655的上部的外部角上的双L闩锁690匹配地接纳并耦接缸组件805的拉动块820。在从夹具体655拆除缸组件805之前，将双L闩锁690从夹具体655竖直移开以提供空隙。双L闩锁690形成为具有两个L形臂692、694，其每个都位于与另一个臂垂直的平面内，并且在每个“L”的顶端结合。大L形臂692平行于并且靠近顶面656，并且被大致定位成延伸超过外部面670。然而，大L形臂692的“足”部沿着夹具体655的邻近下或上臂680 —侧往回延伸，并且包括达到下或上臂680的中间中的切口的矩形突出体693。大L形臂692的“L”的顶部被定位成靠近竖直轴685的顶部。小L形臂694的上端在相同位置开始，并且大致竖直延伸，小“L”的“足”部或下部达到夹具体655的外部面670，并且延伸到绕竖直轴685的闩锁空隙狭槽686中。竖直轴685滑动地耦接小L形臂694的下部中的竖直钻孔。闩锁空隙狭槽686足够大，从而即使在竖直轴685接纳小L形臂后也具有开放的缺口。闩锁空隙狭槽686的该缺口允许整个双L闩锁690上升和下降，以将夹具体655与缸组件805耦接或将其脱耦接。对于布置在夹具体655的底部处的双L闩锁690，耦接和脱耦接的行进方向相反。为了与缸组件805耦接，每个双L闩锁690的大L形臂692都具有半圆形凹槽682b，其与邻近下或上臂680的半圆形凹槽682a具有共同的竖直中心轴线698。半圆形凹槽682a和682b —起形成接纳缸组件805的拉动块820上的圆柱形螺柱822的圆孔。夹'紧装置的第二实施例的可枢转抓握装置现在首先参考图15、21和22描述夹紧装置500的抓握能力。每个夹具体655都被在凹状竖直表面662处和在矩形凹部658处耦接至多个可枢转抓握装置720。每个压模保持装置720都包括多个压模插入体722、多个可枢转压模插入体保持器724、多个保持器固定销730、插入体承载器725、多个承载器保持销668以及保持板734。将大致以逆序描述 它们。每个插入体承载器725都大致面对并且与支撑结构505中的中心开口 522大致周向对齐。插入体承载器725的凸状后表面与夹具体655上的凹状竖直表面622相符合并且与其滑动匹配。插入体承载器725的两端都具有弯曲的竖直狭槽732，其匹配地接纳承载器保持销668。因此，在该实施例中，每个插入体承载器725都由两个承载器保持销668耦接。如上所述，这些承载器保持销中的一个668a与底部凸缘667耦接并且在底部凸缘667上方延伸。另一个承载器保持销668b (图22)与保持板734耦接并从保持板734的一部分向下延伸。在保持板734处的相对端附接至夹具体655的顶面656下方的内部矩形凹部658。此外，弯曲竖直狭槽732的宽度、长度和曲率允许插入体承载器725在承载器保持销668上枢转，并且沿凹状竖直表面662滑动。以该方式，插入体承载器725由夹具体655保持，并且被耦接至夹具体655。以类似方式，插入体承载器725与多个压模插入体保持器724可滑动地且可枢转地耦接。为了便于该布置，插入体承载器725具有多个凹状的竖直沟槽728，其面对开口522。压模插入体保持器724的凸状背表面与凹状的竖直沟槽728相符合，并且抵靠着其安装。压模插入体保持器724的两端都具有弯曲的竖直狭槽723，其匹配地接纳来自插入体承载器725的保持器固定销730。弯曲的竖直狭槽723的宽度、长度和曲率允许压模插入体保持器724绕保持器固定销730枢转，并且抵靠着竖直沟槽728滑动。每个压模插入体724都保持和耦接多个压模插入体722，而压模插入体722具有有齿表面以抓握接头2的圆周。如果接头2落入指定直径范围内，则被结合在夹具体655中的互补的凹状竖直表面622和可枢转抓握装置720的上述特征就允许压模插入体722的方向自动调整至接头2的弯曲表面。在每个夹具体655上，多个片弹簧738安装在内部面660上，以便自由端延伸超过凹状的竖直表面662的外部竖直边缘664。每个片弹簧738的自由端压靠插入体承载器725，以将其朝着凹状竖直表面662的公共中心边缘663推动或偏压。当夹紧装置500未接合接头2时，就靠近公共中心边缘663将两个邻近的插入体承载器725 —起推动。随着接头2被抓握，推靠压模插入体722的压缩力导致压模插入体保持器724沿凹状的竖直沟槽728滑动和枢转，并且也导致插入体承载器沿凹状的竖直表面662滑动和枢转，直到压缩力在所有的抓握表面上即所有的压模插入体上更均匀分布。以该方式，可枢转的抓握装置720自动调整至布置在夹紧装置500的夹紧机构650中的接头2的具体直径。夹紧装置第二实施例上的重暈传感器参考图19，重量传感器760指示夹紧装置550何时支撑接头2或其他井柱部件的重量。重量传感器760包括弹簧加载的接触销762、保持帽、具有液压通道的位置开关766以及轮子和连杆部件768。弹簧加载的接触销762可滑动地匹配由上部底板510中的钻孔564和埋头孔566形成的竖直凹部，并且延伸至上部底板510的上方和下方。弹簧加载的接触销762被保持帽764保持在上部底板510内。弹簧加载的接触销762的上部部分渐缩，并且接触轮子和连杆部件768，轮子和连杆部件768与接近开关可旋转地耦接，该接近开关被附接至第二夹具体655b的外部面670。当被夹紧机构650抓握时，接头2的重量导致气动风箱状体590中的空气通过泄压阀(未示出)排出(释放)。因此，所有风箱状体590都压缩， 并且上部底板510安置在下部底板570上。该动作导致接触销762相对于上部底板510、第二夹具体655b、位置开关766以及轮子和连杆部件768上升。结果，按下文关于驱动控制系统900所述，接触销762的渐缩端将轮子和连杆部件768朝着位置开关766推动，从而改变开关766中的流体通道构造，并且控制夹紧装置500的行为。在另一实施例中，位置开关766能够与类似的电位置开关耦接，以便能够将信号发送至控制系统和用户界面312。当从夹紧装置500释放重量时，气动风箱状体通过由气动耦接头594供应的空气再膨胀，并且上部底板510上升，允许接触销762下降并且停止将轮子和连杆部件768压靠在位置开关766上，取消了重量信号。夹'紧装置的第二实施例的驱动机构参考图10、图15和图17，驱动机构800包括多个缸组件805。在该实施例中，每个缸组件805都包括一个或多个流体动力缸810、一个或多个拉动块820、用于每个缸810的负荷传感器840以及缸盖842和844。在大多数操作期间，缸组件805都平行于锁孔状狭槽520的侧开口 524。缸组件805的前端靠近上部底板510的外边缘或前边缘514。拉动块820位于缸组件805的前端。如图25中所示，拉动块820为大致矩形块，其最长尺寸竖直地布置。大致圆柱形螺柱822位于拉动块820的顶部和底部。拉动块820的前面具有多个组合孔824 (示出两个)，其由接纳流体动力缸810的带螺纹杆端的钻孔和接纳负荷传感器840的埋头孔形成。拉动块820的后竖直面(未示出)是平坦的。图17中示出这些部件的组装。现在参考图17，在缸组件805的后端或背端，缸内部盖842围绕流体动力缸810的盖端。在前端处，缸杆814朝着并且超过前边缘514延伸。在该区域中，如上所述，缸杆814与拉动块820和负荷传感器840耦接。大螺母和垫圈816螺纹接合缸杆814的末端，从而将负荷传感器840和拉动块820紧密耦接在缸杆814上。如几幅图诸如图10和15中所示，缸外部盖844被布置在缸杆814周围，并且被附接至拉动块820。随着流体动力缸810扩张和缩回，外部盖844在内部盖842的外部上滑动。如图16中所示，拉动块820的螺柱822与前夹具体655a上的半圆形凹槽682a、682b耦接，以形成上部和下部可拆装前接头826。前接头826将缸组件805与前夹具体655a耦接。在缸组件805的另一端，即离前边缘514最远的末端，圆柱形螺柱812接合缸组件805的上表面和下表面。更特别地，螺柱812与后夹具体655b上的半圆形凹槽682a、682b耦接，以形成上部和下部枢轴后接头828。后接头828将缸组件805与前夹具体655b耦接。夹'紧装置的第二实施例的驱动控制系统图23示出驱动控制系统900的示意图，驱动控制系统900包括方向控制阀910、与缸810的杆端连通的流体管线912、912a、912b、与缸810的盖端连通的流体管线922、922a、922b、顺序阀926、位置开关766(上文已介绍)、操控(信号)管线942、942a、942b、延时缸944、止回阀950和955以及其他支持部件。止回阀950和955与缸组件805位于同一区域。止回阀950和955被操控以接收压力信号，从而在需要时命令该阀允许逆流。每个流体动力缸810都具有缸安全止回阀955，以确保缸的杆端中的流体压力在动力损耗的情况下不损失。缸组件805包括多个缸810 (例如，在该实施例中所述为两个)。对于每个缸组件805，二级安全止回阀950都串联接入T耦接头952，T耦接头952连接来自邻近缸810的两个安全止回阀955。在控制歧管905 (图11和23)中安装驱动控制系统900的几个其他部件。驱动控制系统900接收来自泵(未示出)或另一加压液压流体装置的动力。如图23的底部所示，通过方向控制阀910接收和返回流体。通过适当调整流体流动的方向，阀910设定缸810的行进方向。当缸810缩回以将两个夹具体655a和655b拉到一起时，加压流体就被引导至与缸810的杆端连通的流体管线912。流体首先穿过第一过滤器914。将一部分流体作为重新设定延时缸944的操控或控制信号而引导至流体管线943。即，管线943被加压。随后将明白延时缸944的目的。现在将解释缸944的一种操作模式。944的适当端填充，推动其内部活塞或膜，并且排出在另一侧的流体，并且通过孔948回流。排出的流体通过流体管线·上无重量”，所以排出的流体行进至并且通过流体管线941至管线922，并且结合管线922中的其他流体(下文将解释)，通过阀910行进返回至液压槽。同时，来自顺序阀926的操控端口的流体与来自延时缸944的流体一起通过管线942排出。阀926中的集成弹簧将阀926从开启位置变为闭合位置。继续至加压流动管线912，流过过滤器914，主要流体流分为两个流径，即流动管线912a和912b，以供应布置在锁眼状狭槽520的相对两侧上的缸组件805。从该点往后，都将仅讨论每个缸组件805的流动路径“a”。流动路径“b”是相同的。加压流体在流体管线912a中行进，到达夹紧装置及其缸组件805。在该位置，流体再次分开。而大部分流体继续处于管线912中，并且穿过二级安全止回阀950a。在阀950之后，流体最后一次分开，一部分流向两个缸安全止回阀955a中的每个阀，最后到达耦接缸810的杆端。杆端中的压力导致缸810缩回，将前夹具体655a和后夹具体655b拉到一起。在所述操作模式中，止回阀950a和955a确保流体能够行进至缸810的杆端，但是不返回。随着缸810缩回，流体从盖端通过流体管线922a释放，并且在到达控制歧管905中的流体管线922时接入流体管线922b。流体穿过止回阀以绕过顺序阀926，并且穿过另一止回阀以绕过第二流体过滤器924。然后，流体穿过方向控制阀910，并且最后返回流体储存器(未示出)。在夹紧装置500已稳固地抓握接头2之后，操作者允许绞车320将接头2和附接的钻柱330的重量传递至夹紧装置500。此时并且直到被改变，起重量指示顺序阀作用的位置开关766都由向下拉上部底板510的钻柱330的重量触发。位置开关766移动(根据图23中的构造，向左移动)并且隔离管线941，所以没有流体能够从管线922流至管线941并且流经位置开关766。否则，在夹紧装置500正在支撑重量的一些情况下，来自管线922和941的流体可能以其他方式穿过开关766并且对通向顺序阀926的控制端口的流体操控管线942和946进行加压。相反，作为由开关766隔离管线941的结果，顺序阀926仍处于在管线943被加压时实现的闭合位置中。当位置开关766感测到夹紧装置上有重量时，就将操纵管线942连接至流体管线958，如果或者当管线958中的压力更高时，其能够排出至管线912或管线922。管线958由止回阀保护，所以不能通过管线912或管线922对管线958加压。仍参考图23，之后，当缸810伸出以将两个夹具体655a和655b推动分开时，加压流体几乎沿相反路径，但是以两个阶段发生这些情况。在第一阶段中，向止回阀950和955发送加压控制信号，以命令它们允许逆流，使得能够排空缸810的杆端。为了实现该目的，控制阀910将加压流体引导至管线922，并且允许从管线912回流。管线922中的加压流体 穿过过滤器923，并且抵达此时闭合的顺序阀926，所以主要流体流仍不能到达缸810的盖端，缸810不膨胀。然而，一部分流体被作为控制信号引导至操控流体管线941。管线941将流体引导至位置开关766。如果如重量传感器760 (图19)指示的，夹紧装置500未保持重量例如接头2的重量，则位置开关766就允许来自管线941的流体进入流体管线942。管线942中的流体采取两个路径。沿第一路径，管线942中的流体流经管线942a和942b，到达靠近夹紧装置500上的两个缸组件定位的安全控制阀950、955，并且将其释放以允许逆流。结果，缸810的杆端降压，但是由于盖端仍未被加压，所以很少的流体流出杆端。在第一操作阶段期间，缸810的活塞是静止的。沿离开开关766的第二路径，流体穿过孔948，随着流体进入流体管线946降低流速，并且导致流体压力降低。管线946中的流体的目的在于激活顺序阀926，所以其将允许主要流体流继续在管线922中行进，到达缸810的每个盖端。然而，为了激活顺序阀926，在管线946中需要特定压力，但是管线946中的流体必须首先填充延时缸944。随着缸944被填充，管线946中的压力保持低于顺序阀926的激活压力。当延时缸944变满时，管线946中的压力上升，最终达到阀926所需的激活压力。这开始缸伸出顺序的阶段2。此时，顺序阀926转换，并且允许流体穿过，达到管线922的其他部分，其中流体分开并且在管线922a和922b中行进，以达到缸的盖端并且使缸杆814伸出。来自缸810的盖端的流体通过管线912a、912b返回。如上所述，因为已释放所有安全止回阀950和955以允许逆流，所以该行进方向是可能的。流体会聚到管线912中，并且抵达控制面板。流体穿过止回阀，以绕过第一流体过滤器914，并且然后通过方向控制阀910返回并到达流体储存器。夹紧装置的第二实施例的一般操作夹紧装置500在其操作顺序或循环中具有三个主要模式或位置。这些模式为操作闭合、操作开启和拆除。将依次讨论这些模式。已解释驱动控制系统900的必需性能。现在，在本部分中，将描述每种操作模式的目的和每一模式期间各个组件采用的物理布置。随后将描述从前一模式转换至每种模式的方法。操作闭合模式
参考图18最好地理解夹紧装置500的操作闭合模式或位置。在该模式中，夹紧机构650径向接合井柱的部件，诸如钻杆接头2，其可能为图I中的钻柱330的部件。另外的部件可附接在接头2下方和可能上方。附接在接头2下方的另外部件能够延伸到夹紧装置500下方的钻孔334中。夹紧机构650能够抓握其直径落入预定直径范围内的接头和其他部件，例如在一个实施例中该预定直径范围为6-10英寸。在可能包括不同直径的部件的井底组件的情况下，该抓握范围特别有用。该预定范围能够包含在井底组件中出现的所有不同直径。夹紧机构650能够被驱动机构800简单地进一步开启或进一步闭合，从而例如在使井底组件344进入钻孔334期间或将井底组件244从钻孔334缩回期间抓握井底组件的不同部分。对于落入预定范围内的直径，夹紧机构650的调整不需要替换或拆除夹紧机构650的任何部分。对于新的预定范围，能够替换夹紧机构650的部分，诸如插入体承载器725。在替换该部分后，夹紧机构650就能够抓握具有落入新预定范围内的直径的接头。作为例 子，对于所述实施例，选择用于夹紧的预定直径范围包括4-6英寸、6-10英寸和8-12英寸；然而，其他范围是可能的。在处于操作闭合模式中时，与夹具体655关联的压模插入体722径向抓握布置在中心开口 522中的接头2。本文中使用的术语“径向抓握”意思是，通过在径向方向上施加力而将力作用在井柱部件上。夹紧装置500能够保持竖直负荷(例如，接头2以及被附接至接头2的其他接头和部件的重量)、水平力和沿接头2的轴线施加的顺时针和逆时针扭矩。因而，当拼扣或卸开接头之间的连接时，能够使用夹紧装置500作为支持工具。当将接头2和井柱330的重量施加至夹紧装置500时，从气动风箱状体590释放空气，导致风箱状体590压缩并且上部底板510坐落在下部底板570上。能够通过图19和图20观察到该转换。在操作闭合模式中，缸810保持平行于支撑结构505中的侧开口 524。 保持接头2的夹紧力由被施加至驱动机构800的液压力确定，并且其独立于接头2的重量且独立于可附接至接头2的钻柱的重量。提供指定夹紧力独立于负荷的该能力，以允许系统支撑更大重量的井柱，而不压坏被夹紧的部件，例如接头2。这与传统的卡瓦使用不同，在传统的卡瓦使用中，部件上的抓握力直接与所支撑的重量相关，并且有时向被支撑部件施加过大径向力。 通过下部底板570，夹紧装置500可被耦接至任何适当的结构，诸如钻孔334上方的转盘338或钻井塔地板314。当通过下部底板570、转接器翼578和转接器凸耳508或类似部件将夹紧装置500安装至接纳结构时，这些部件(570、508和587)将能够向接纳结构传递由所支撑负荷同时或单独向夹紧机构650施加的竖直、水平和扭矩负荷。来自所支撑负荷的负荷力和扭矩将被从夹紧机构650传递至驱动机构800。然后，通过导向条550和T形狭槽535将负荷力和扭矩传递至上部底板510 (图15)。通过圆柱形突出体582 (图13)和下部导套608将水平负荷从上部底板510传递至下部底板570。通过下部导套608将旋转即扭矩传递至下部底板570。翼578和凸耳508将负荷从下部底板570传递至接纳结构。_3] 操作开启模式参考图16和图17最佳描述夹紧装置500的操作开启模式。在该模式中，压模插入体722已与接头2脱接合，在中心开口 522中已不再示出接头2。通过夹具体655承载，压模插入体722已从中心开口 522的中心移开至开口的外围。在从操作闭合模式移动至操作开启模式(从图18至图16)之前，必须将重量从夹紧装置500转移至绞车320(图I)。按该事件的视觉指示，气动风箱状体590膨胀，并且上部底板510上升至图19中所示的构造，指示操作者夹紧装置500已开启。此时，能够将缸810移动至伸出位置。缸810的延伸使夹具体655a和夹具体655b在平行于上部底板510并且离开中心开口 522的中心的方向上彼此离开地移动。随着流体动力缸810伸出，夹具体655a和夹具体655b被彼此推开，并且因此离开中心开口 522。由于夹紧机构650和驱动机构800未被刚性固定至上部底板510，而是在上部底板510上横向浮动，所以直到缸810到达外部终点挡板凹部547a、547c (图15)，都未规定夹具体655在缩回期间的运动模式。也就是说，随着流体动力缸810伸出，夹具体655a可能首先达到上部底板510的左侧，或者夹具体655b可能首先达到上部底板510的右侧，或者这些事件能够同时发生。随后，当转换至操作闭合模式时，该横向“浮动”允许夹紧机构650和驱动机构800在被布置在中心开口 522中的接头2上自定中心，即使接头2不处于中心开口 522的中间也是如此。在操作开启模式中，与操作闭合模式一样，缸810保持平行于支撑结构505中的侧开口 524。拆除模式 在图14和图15中示出夹紧装置500的拆除模式或完全开启位置。在该模式中，缸组件805已绕枢轴后接头828旋转，并且已将夹具体655a从夹具体500的剩余部分拆除。结果，不阻碍锁眼状狭槽520的侧开口 524，并且能够经由侧开口 524横向接近中心开口 522。在拆除模式中，无论是否已将钻柱330布置在钻孔334中并且其可能从钻孔334延伸出来，都能够将整个夹紧装置500从钻孔334拆除或将其放置在钻孔334上。当与钻孔334对齐时，中心开口 522能够接纳钻柱330的接头2，钻柱330被布置在钻孔334中，并且能够进入钻孔334或从中拆除。在拆除模式中，缸810移动至这样的位置，其中缸810与侧开口 524成角度，并且因而不再与其平行。夹紧装置500能够从操作开启模式移动至拆除模式(从图16至图14，以及至图15)。在转变为拆除模式或位置前,将夹具体655b锁定至关于上部底板510的位置。然后，必须通过伸出液压传动气缸810将前夹具体655a定位在上部底板510的远左侧。然后缩回前夹具体655a的外面670上的滑动锁672。继而，夹具体655a的顶部上的两个双L闩锁690上升，并且夹具体655a的底部上的两个双L闩锁690下降。然后，在拉动块820上的圆柱形螺柱822以及下臂和上臂680上的半圆形凹槽682之间产生空隙。以两个步骤产生该空隙。首先，既然底部两个双L闩锁已降低，缸810就向内冲击(缩回)，导致底部两个双L闩锁紧密位于上部底板510中的V形缺口中。其次，执行相反动作。缸810在向外方向冲击(伸出)。现在，空隙是可用的，并且每个缸组件805都绕枢轴后接头828旋转，离开夹具体655a。在缸组件805的旋转期间，前夹具体655a保持处于某一位置。当完成旋转时，就能够拆除前夹具体655a。为了从拆除模式反向改变至操作开启模式(从图15中所示的位置至图16中所示的位置)，按相反程序进行。为了从操作开启模式移动至操作闭合模式(从图16中所示的位置至图18中所示的位置)，缸810缩回并且相对于夹具体655b移动夹具体655a。通过该方式,夹具体655a、655b朝着中心开口 522并且朝着井柱330的部件例如钻柱接头2移动。随着夹具体655a、655b移动，如果接头2更靠近一个长的外边缘516或另一边缘，则接头对准楔形体就将接头2朝着中心开口 522的中心推动。组装在可枢转抓握装盒子720中后，压模插入体722的位置可自调整以适应预定直径范围内的大直径井柱部件或小直径部件。随着夹具体655平行于上部底板510、继续朝着中心开口 522的中心移动，并且开始接触接头2，压模插入体722的位置调整，以匹配将抓握的接头的直径。如上所述，通过关联可枢转的抓握装置720的弯曲表面的多样性促进该调整。当与接头接合时，流体动力缸810向夹具体655施加夹紧力。可在任何操作阶段或者几个操作阶段期间结合井操作系统300使用夹紧装置500。例如，可在调查探测期间、最初钻井期间、已在一些或全部钻孔上增加套管和水泥的连续钻井期间和/或生产期间使用夹紧装置500。因此，夹紧装置500可与探井、生产井或其他井相关操作一起使用。此外，虽然参考用于钻探和最终获得石油和天然气的井描述夹紧装置I和500，但是也可在水井、地热井或任何在大地中形成钻孔的应用中使用夹紧装置I和500及其使用方法。虽然已示出和描述了优选实施例，但是本领域技术人员能够在不偏离本文的范围或教导的情况下做出其变型。本文所述的实施例仅为例示性的，并且不进行限制。本文所 述的系统、设备和工艺的许多变化和变型是可能的，并且也在本发明的范围内。例如，各个部分的相对尺寸、制造各个部分的材料、操作压力和其他参数都能够变化。作为另一例子，主要讨论了液压传动和控制，但是可能有其他液压、气动和/或电动布置，并且其也符合本公开。因此，保护范围不限于本文描述的实施例，而是仅由所附的权利要求书限定，其范围应包括权利要求的主题的所有等同物。
权利要求
1.一种用于悬置由一个或多个井柱部件构成的井柱的设备，包括 底板，所述底板具有用于接纳井柱部件的开口； 夹紧机构，所述夹紧机构包括主夹具体，所述主夹具体被支撑为相对于所述底板进行线性运动；第一辅助夹具体，所述第一辅助夹具体被支撑为相对于所述底板进行独立的线性运动和圆周运动；以及第二辅助夹具体，所述第二辅助夹具体被支撑为相对于所述底板进行独立的线性运动和圆周运动，在每个所述夹具体的一面上承载有用于与在所述开口中接纳的井柱部件接合的抓握构件；以及 驱动机构，所述驱动机构被耦接至所述夹具体，并且被构造成相对于所述底板移动所述夹具体。
2.根据权利要求I所述的设备，其中，所述第一辅助夹具体和第二辅助夹具体与所述主夹具体相对。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述驱动机构被构造成在第一操作模式中将线性运动同时赋予所述夹具体。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述夹具体被支撑以沿平行路径线性地移动。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述驱动机构被构造成在第二操作模式中将圆周运动同时赋予所述第一辅助夹具体和第二辅助夹具体。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述开口包括大致圆形开口和侧开口，所述侧开口与所述大致圆形开口邻接并且延伸至所述底板的边缘，并且其中所述第一辅助夹具体和第二辅助夹具体被支撑为沿圆形路径移动，以允许或阻碍经由所述侧开口接近所述大致圆形开口。
7.根据权利要求2所述的设备，其中所述驱动机构包括一对心轴，其中所述第一辅助夹具体和第二辅助夹具体被可旋转地附接至所述心轴的前端，并且其中所述主夹具体被可滑动地支撑在所述心轴的后端上。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述驱动机构还包括一对驱动马达以及用于将所述驱动马达的旋转运动转换为所述心轴的线性平移的齿轮装置。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述齿轮装置包括被耦接至所述驱动马达的一对驱动齿轮和邻近于所述驱动齿轮的一对防松螺母，所述驱动齿轮和防松螺母具有齿，所述齿啮合以将旋转和平移运动赋予所述防松螺母。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述防松螺母安装在所述心轴上。
11.根据权利要求2所述的设备，其中，所述驱动机构还包括一对缸，所述一对缸被耦接至所述第一辅助夹具体和第二辅助夹具体，并且可操作以将所述线性运动和圆周运动独立地赋予所述第一辅助夹具体和第二辅助夹具体。
12.根据权利要求I所述的设备，还包括被耦接至所述底板的转接器，所述转接器被构造成用于将所述底板耦接至外部结构并且将负荷从所述夹紧机构转移至所述外部结构。
13.一种用于沿大致竖直轴线悬置井柱的设备，包括 底板，所述底板具有带狭槽的开口，用于接纳大致沿所述轴线布置的所述井柱的部件； 夹紧机构，所述夹紧机构由所述底板支撑，所述夹紧机构包括第一夹具体，所述第一夹具体被支撑为相对于所述底板进行线性运动并且位于所述轴线的第一侧；以及第二夹具体，所述第二夹具体被支撑为相对于所述底板进行线性运动并且位于所述轴线的第二侧，所述第一夹具体和第二夹具体包括用于与在所述开口中接纳的所述井柱部件接合的抓握表面；以及 驱动机构，所述驱动机构被耦接至所述夹具体，并且被构造成朝着所述轴线移动所述夹具体且使所述抓握表面与所述井柱部件接合。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述夹紧机构被构造成当在第一操作模式中所述夹具体被定位成与所述井柱接合时支撑整个井柱的重量。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，所述开口具有锁眼形状。
16.根据权利要求13所述的设备，其中，所述开口包括大致圆形开口和侧开口，所述侧开口与所述大致圆形开口邻接并且延伸至所述底板的边缘，并且其中至少在第一操作模式中，所述夹具体中的一个阻碍经由所述侧开口接近所述大致圆形开口。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，在所述第一操作模式中阻碍接近所述开口的所述夹具体在第二操作模式中能够重新定位在允许井柱部件穿过所述侧开口且进入所述大致圆形开口的位置。
18.根据权利要求13所述的设备，其中，所述底板包括上部底板和下部底板以及布置在所述上部底板和下部底板之间的多个风箱状体，所述风箱状体被构造成在所述夹紧机构不支撑所述井柱的重量的模式中膨胀，并且在所述夹紧机构支撑所述井柱的重量的模式中收缩。
19.根据权利要求13所述的设备，其中，所述驱动机构被构造成至少在第一操作模式中将线性运动同时赋予所述第一夹具体和第二夹具体。
20.根据权利要求14所述的设备，还包括被耦接至所述底板的转接器，所述转接器被构造成用于将所述底板耦接至外部结构并且将所述井柱的重量从所述夹紧机构转移至所述外部结构。
21.根据权利要求16所述的设备，其中，所述驱动机构包括至少一对缸组件，所述一对缸组件中的每一个具有被可枢转地连接至所述底板的第一端以及被构造成与在所述第一操作模式中阻碍所述开口的所述夹具体可释放地接合的第二端。
22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述缸被构造成使得所述缸的所述第二端至少在所述第一操作模式中从所述底板中的所述开口摆动离开。
23.根据权利要求13所述的设备，其中，所述夹具体包括抓握构件，抓握构件自调整至所述井柱部件的尺寸。
24.根据权利要求13所述的设备，其中，所述夹具体中的至少一个包括 至少一个具有凹表面的接纳凹部； 承载器构件，所述承载器构件被布置在所述接纳凹部中，并且具有与所述接纳凹部的凹表面面对的凸表面，并且所述承载器构件具有至少一个具有凹表面的接纳凹部； 插入体构件，所述插入体构件被布置在所述承载器构件中，并且具有与所述承载器构件的凹表面面对的凸表面，并且所述插入体构件具有用于抓握所述井柱部件的抓握表面。
25.一种用于沿大致竖直轴线悬置井柱的设备，包括 底板，所述底板具有带狭槽的开口，用于接纳大致沿所述轴线布置的所述井柱的部件；夹紧机构，所述夹紧机构由所述底板支撑，所述夹紧机构包括多个夹具体，所述多个夹具体被支撑为相对于所述底板进行线性运动并且被绕所述开口定位，所述夹具体包括用于与在所述开口中接纳的所述井柱部件接合的抓握表面； 驱动机构，所述驱动机构被耦接至所述夹具体，并且被构造成朝着所述轴线移动所述夹具体并且使所述抓握表面与所述井柱部件接合； 其中，所述夹具体中的至少一个夹具体适于在第一位置和第二位置之间移动，在所述第一位置中，所述至少一个夹具体阻碍所述开口接纳井柱部件，而在所述第二位置中，所述至少一个夹具体不阻碍所述开口。
26.根据权利要求25所述的设备，还包括主夹具体，所述主夹具体被支撑为相对于所述底板进行线性运动；以及一对辅助夹具体，所述辅助夹具体被支撑为相对于所述底板进行独立的线性运动和圆周运动。
27.根据权利要求26所述的设备，还包括当所述辅助夹具体处于阻碍所述开口的第一位置中时将所述辅助夹具体连接在一起的销，所述销能够拆除以允许所述辅助夹具体移动至所述第二位置。
28.根据权利要求25所述的设备，其中，所述夹具体被构造成当在第一操作模式中所述夹具体被定位成与所述井柱接合时支撑整个井柱的重量。
29.根据权利要求25所述的设备，还包括被耦接至所述底板的转接器，所述转接器被构造成用于将所述底板耦接至外部结构并且将所述井柱的重量从所述夹紧机构转移至所述外部结构。
30.根据权利要求25所述的设备，其中，所述驱动机构包括至少一对缸组件，所述一对缸组件中的每一个都具有被可枢转地连接至所述底板的第一端以及被构造成与在所述第一操作模式中阻碍所述开口的夹具体可释放地接合的第二端。
31.根据权利要求30所述的设备，其中，所述缸被构造成使得所述缸的所述第二端至少在所述第一操作模式中从所述开口摆动离开。
32.根据权利要求25所述的设备，其中，所述夹具体包括抓握构件，所述抓握构件自调整至所述井柱部件的尺寸。
33.根据权利要求25所述的设备，其中，所述夹具体中的至少一个包括 至少一个具有凹表面的接纳凹部； 承载器构件，所述承载器构件被布置在所述接纳凹部中，并且具有与所述接纳凹部的凹表面面对的凸表面，并且所述承载器构件具有至少一个具有凹表面的接纳凹部； 插入体构件，所述插入体构件被布置在所述承载器构件中，并且具有与所述承载器构件的凹表面面对的凸表面，并且所述插入体构件具有用于抓握所述井柱部件的抓握表面。
34.根据权利要求25所述的设备，还包括被耦接至所述底板并且被构造成提供操作模式的视觉指示的多个风箱状体，所述风箱状体在所述夹紧机构不支撑所述井柱的重量的模式中膨胀，并且在所述夹紧机构支撑所述井柱的重量的模式中收缩。
全文摘要
一种用于支撑钻孔中的井柱的夹紧装置，其包括具有中心开口的底板和被支撑成相对于所述底板进行线性运动的主夹具体。所述夹具装置还包括其他夹具体，其被支撑为相对于所述底板进行独立的线性运动。在某些实施例中，夹具体被支撑为进行枢转运动以开启和闭合所述中心开口。在每个所述夹具体的一面上承载有抓握构件，其用于与在所述中心开口中接纳的井柱部件接合。驱动机构被耦接至所述夹具体，并且被构造成相对于所述底板移动所述夹具体。
文档编号E21B19/14GK102933788SQ201180020354
公开日2013年2月13日 申请日期2011年4月21日 优先权日2010年4月21日
发明者雷内·马尔德, 安东·克里金恩, 尼尔斯·德凯撒, 理查德·费尔霍夫 申请人:国民油井华高有限公司