专利名称：塔架的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种井架，特别是涉及一种钻机井架，该钻机井架包括一个井架构件和位于该井架构件上的一个用于移动负载例如钻柱的起吊设备。
一个钻机井架的主要功能就是垂直移动负载，主要是移动钻柱及其各种部件，以及借助于一个钻柱下入和取出钻井设备例如一个防喷器BOP。
在常规的钻机井架中使用绞车、钢丝绳和天车。在最近生产的钻机井架中，已经借助于液压缸体与钢丝绳以及天车的结合而对负载进行处理。而且也有人提出使用具有一个或者几个马达的驱动系统，这些马达连接到一些齿轮上，这些齿轮可以在垂直安装在井架中的齿条上爬行。
上面最后提到的技术分案和使用钢丝绳的系统相比具有一些优点，亦即该系统可以避免使用作为承载元件的钢丝绳。在承受载荷的情况下，钢丝绳将会受到拉伸。因此，在目前的在钻机井架中使用钢丝绳的系统中，每隔一定时间间隔就要对这些钢丝绳进行检测和更换，以保证起吊设备具有所需的起吊精度。
使用具有连接到齿轮的马达/传动箱的驱动系统的一个问题是由于具有齿轮箱/齿轮的马达需要沿着齿条进行爬行，因此需要利用一个软管或者柔性电缆来提供动力；而且除了需要举升的负载外，还要举升马达或者驱动系统的重量。上述的马达/齿轮箱连接到一些齿轮，而这些齿轮可以与齿条啮合。
上述的缺点可以通过对起吊设备进行改进而得到克服，亦即可以使得该起吊设备不再是沿着齿条爬行的驱动系统，而是通过驱动系统驱动而向上和向下移动的齿条。
在现有技术中有一种公知的利用驱动系统来移动特别是提升和下降负载的装置。其中的驱动系统包括一个与齿条啮合的齿轮，而齿条则被分成通过铰链连续联接在一起的齿条链节(rack segment)。这些齿条链节在一个导向装置内运行，参见美国专利US-PS1870244、US-PS 1916517和US-PS 2170595。
在这些公知的装置中，齿条链节锁定在一个直的、垂向的举升直线上，因此这些举升装置只能用于短距离举升或者顶起作业。其中的齿条链节是沿着水平方向进行存放的。
本发明的一个目的就是提供一种举升/驱动装置，该装置用于长距离的连续作业，其运行的动力和速度几乎没有任何限制。
本发明的一个特别的目的就是提供一种举升装置，该举升装置具有齿条链节。这些齿条链节可以借助于一个驱动系统而向上和向下移动。其中齿条链节是设置在一个直的、垂向的举升直线上，以防止这些齿条链节发生翘曲或者弯曲。
本发明的另外一个目的就是提供一种井架，特别是一种钻机井架，其中通过起吊设备处理的负载处在井架的底部。
本发明的再一个目的就是提供一种井架，特别是一种钻机井架，该井架重量较轻、结构简单，并且主要是适合承载水平力。
本发明的一个特别的目的就是提供一种在浮式钻井装置上使用的钻机井架，其中的浮式钻井装置例如可以是一个钻井船。和常规的钻机井架相比，该井架的重心显著降低。
本发明的另外一个特别的目的就是提供一种钻机井架，其中起吊设备在需要时可以用于向下挤压钻柱或者管柱。
本发明的又一个目的就是提供一种钻机井架，该井架可以按照一种简单的方式进行延伸。
上述目的和目标可以通过本发明的一个井架特别是钻机井架来实现。该钻机井架包括一个井架构件和一个起吊设备，该起吊设备用于在该井架构件上举升负载，例如用来举升一个钻柱，其特征在于，所述的起吊设备包括两个互相平行的导向装置、齿条、一个承载轭和一个驱动系统；所述的每一个导向装置包括一个垂向的主导轨、一个与该主导轨平行的存放导轨和一个处在所述井架底部并位于所述两个导轨之间的导轨连接部分；所述的齿条分别可滑动地安装在各导向装置内，所述的齿条被分成多个通过铰链连续地联接在一起的齿条链节，这些齿条链节被设计为在齿条或者一部分齿条被放置在垂向的主导轨内时这些齿条链节可以互相抵靠在一起，所述的主导轨被设计为适合沿着水平方向支撑所述的齿条链节；所述的承载轭由位于相应垂向主导轨内的齿条所支撑；所述的驱动系统包括主动齿轮，该主动齿轮与相应垂向主导轨内的相应齿条链节啮合。
作为一种比较有利的选择，所述的齿条链节在其互相平行的两侧具有齿。
根据本发明的起吊设备可以设计成具有很高的精度。负载的处理发生在井架的底部，而驱动系统也位于该井架底部。这使得该井架结构(在重量上)更轻便，并且，对于水平力的重要性给予了足够的考虑。
因为负载产生在井架底部，并且因为井架可以建造得比较轻便，因此，井架的重心降低，这对于在一个浮式钻井装置例如在一个钻井船上使用该井架是非常重要的，该井架具有显著的优点。
作为一种比较有利的选择，当所述的承载轭连接到齿条上时，所述的起吊设备也可以用于挤压例如一个管柱。
最初，举升的高度由齿条链节的数量来决定。而不作为垂直支撑齿条部分的那些齿条链节则存放在所述垂向的存放导轨上。
齿条链节可以被制成为使得一个齿条链节的平直表面接连座落在另外一个齿条链节的平直表面上，所述的水平支撑防止了齿条链节产生翘曲/弯曲。
按照非常简单的方式来增加或者去掉一个井架构件就可以使得该井架伸长或者缩短。
在需要时，可以在齿条上插入附加的一些齿条链节，或者也可以从齿条上取下一些齿条链节。
在所述的主导轨和所述的存放导轨之间的导轨连接部分可以是一个弯曲的导向部分。作为一种比较有利的选择方案，所述的每一个导轨连接部分可包括一个惰轮，该惰轮可枢轴式旋转地绕一个水平轴线支撑，该惰轮具有一个周边，该周边与位于所述导轨连接部分中的齿条链节接触。作为一种更有利的选择方案，所述的惰轮具有一个弹性的周边涂层，例如是一种合适的橡胶材料的涂层。
这样的一种惰轮更适合齿条链节在导向装置的U-形部分中进行输送。而弹性周边涂层则使得惰轮和齿条链节之间形成光滑接触，从而减少了尺寸偏差，并能防止发生颠簸或者由齿条链节组成的齿条发生摆动。
作为一种特别有利的选择方案，每一个单个的齿条链节被制成为一个H-形梁的形式，在该H-形梁的互相平行的凸台侧上设置了齿，这样，借助于作用在齿条链节两侧的主动齿轮，可以均匀地驱动齿条链节。
作为一种比较有利的选择方案，根据本发明，使用一种同步装置，该同步装置包括齿轮，所述的齿轮与位于所述存放导轨内的齿条啮合，并且该齿轮驱动连接到与驱动系统内的相应主动齿轮构成一种驱动啮合的齿轮。这使得在两个垂向的导轨内的齿条链节能够同步移动。
根据本发明，提供一个拉伸调节装置，该拉伸调节装置用于克服惰轮而拉伸齿条链节，因此按照需要来调节惰轮周边与在该部分导向装置中的齿条链节之间的接触关系。
对所述的与存放导轨内的齿条进行啮合的齿轮进行支撑，从而使得该齿轮的位置可以调整，以便在惰轮和齿条链节之间产生相互拉伸作用。作为特别有利的一种选择方案，可以通过可调节地支承惰轮来调节这种拉伸作用。
在与存放导轨内的齿条啮合的相应齿轮和与主动齿轮啮合形成驱动配合关系的齿轮之间最好包括一个万向轴或者选择性地包括一个联轴器以便进行传动联接。
作为一种有利的选择方案，所述的驱动系统包括一个用于每一个主动齿轮的驱动马达。
为了保证这些驱动马达的同步运动，作为一种有利的选择方案，利用驱动轴将处在驱动系统上的直接相对的驱动马达进行驱动连接。
将该钻机井架在一个浮式钻井装置上使用时，需要在该举升系统内包括一个升沉补偿系统。根据本发明，该升沉补偿系统中将每一个齿条连接到至少一个主动齿轮和至少另外一个主动齿轮，而所述的一个主动齿轮连接到一个电马达，所述的另外一个主动齿轮则连接到一个液压马达，其中，所述的液压马达连接到一个具有低压进料泵的液压蓄能器。可以设计为当举升载荷向下移动时，液压马达作为一个泵且从而将能量存储到蓄能器中；当举升载荷向上移动时，液压马达将作为马达协助举升作业，从蓄能器中取出能量。
齿条经常处于恶劣的环境中，例如在钻机井架上的齿条就会处于恶劣的环境中；因此作为一种有利的选择方案，使所述的导向装置与周围环境隔离开来，将所述的导向装置设计成使所述的承载轭在所述的主导轨内进行隔离保护式的移动。
根据本发明，承载轭的隔离装置包括由承载轭所致动的一个相应帆布传送带，在所述的帆布传送带内嵌有磁性颗粒，在主导轨上安装磁体，该磁体将帆布传送带保持就位在主导轨上，从而使得该帆布传送带可以覆盖所述的导向装置。
在一个最佳实施例中，在所述的承载轭上安装滚轮，当所述的承载轭沿着所述的导向装置移动时，这些滚轮与帆布传送带相互作用，从而迫使该帆布传送带远离导向装置或者使得该帆布传送带再次保持在其位置上。
本发明将参照下面的附图进行详细描述，其中
图1是一个井架的剖面图；图2是同样一个井架的侧视图；图3是一个井架的放大的(剖面)平面图；图4是一个井架中惰轮区域的剖面图；图5是一个具有主动齿轮的主导轨的水平方向剖面图；图6是一个惰轮区域的剖面图；图7是一个承载轭以及其所连接的导向装置的垂向剖面图；图8是沿着图7中的箭头VIII看时该承载轭的垂向剖面图；以及图9是图1中的井架的轮廓简图。
图1、2和3表示一个实施本发明的钻机井架。图1和2中所示的钻机井架1主要包括两个井架构件2、3，这两个井架构件2、3按照现有技术中方式制成为网格结构。每一个井架构件2、3包括一个垂直的导向装置。下面主要对井架构件2及其部件进行详细描述，因为井架构件2和3基本上相同。在井架构件2上，垂直的导向装置包括一个垂直的主导轨4、一个与主导轨4平行的存放导轨5和在井架底部的一个导轨连接部分6。类似地，井架3具有一个垂向的导向装置，该导向装置包括一个垂直的主导轨7、一个与主导轨7平行的存放导轨8和在井架底部并位于主导轨7和存放导轨8之间的一个导轨连接部分9。
在相应的导向装置4-6和7-9中，分别设置一个相应的可滑动齿条10和11。这特别是可以从图9中看出。每一个齿条10、11由连续的齿条链节12、13构成。
图4表示一个在井架构件2的导向装置4-6内的惰轮区域6的剖面图。从图4中可以看出，齿条10由通过铰链16连接在一起的齿条链节12构成。这些齿条链节12被设计成当齿条10或者齿条10的一部分位于垂向的主导轨4上时各个齿条链节12可以互相抵靠在一起。而主导轨4被设计为适合于水平承载齿条链节12，因此，可以保护该齿条10不会在主导轨4内产生翘曲/弯曲。
单个的齿条链节12被制成为具有一个H-形截面，参见图5、6。每一个齿条链节12可以被看作为一个较短的工字梁，在该工字梁的凸台上设置成排的齿17、18，因此使得单个的齿条链节12以及由齿条链节构成的齿条10在其两平行侧具有齿。
在作为示例的一个实施例中，导轨连接部分6被制成为一个惰轮20的形式，该惰轮20可绕一个水平轴线19枢轴式地支撑。惰轮20具有一个周边，该周边在径向和侧向上与在该导轨连接部分6上的齿条链节12接触(图4和6)。惰轮20具有一个弹性的周边涂层21，该周边涂层21与H型梁(齿条链节)12的主梁抵靠在一起。如图9所示，两个齿条10、11连接到一个承载轭22。该承载轭22利用合适的两个长支撑元件23、24座落在两个齿条10、11上，而该两个齿条10、11位于两个平行的、垂向的主导轨4、5上。因此，通过两个齿条10、11在相应导向装置内的相应移动可以使得该承载轭22被举升和下降。为了移动齿条10、11，提供一个驱动系统25。该驱动系统25包括多个驱动马达，这些驱动马达包括连接到驱动马达上的主动齿轮，这些主动齿轮可以与齿条链节12、13上的齿17、18啮合。该驱动系统25包括总数为16个的驱动马达。其中，每一个齿条8个马达，但是在图4、9中为了清楚起见，只是表示在齿条10一侧的最下面的两个驱动马达14、15。
图4表示两个驱动马达14、15分别驱动一个主动齿轮26和一个主动齿轮27，这两个主动齿轮26、27与齿条10中的齿条链节12上的齿18构成一种驱动啮合。这些主动齿轮26、27因此作用到齿条的其中一个长侧。类似地，连接到驱动马达(未示出)的主动齿轮28设置在齿条10的相对的另一垂向侧，从而与齿17啮合，如图5所示。
一个齿轮29被支撑以用于与主动齿轮27啮合。该齿轮29通过一个中间的万向轴30驱动连接到一个齿轮31上，该齿轮31与存放导轨5上的齿条10的齿18啮合。
这些主动齿轮和齿轮的支撑关系主要如图4所示，但是应该能够理解，这些主动齿轮和齿轮可以按照任何合适方式支撑在井架构件2上。当然，这也同样适用于驱动系统25内的各个驱动马达的支撑关系。一个类似的齿轮29和齿轮31被设置在齿条10上的另一侧，用于分别与一个主动齿轮27和齿条10上的齿17啮合。
齿轮29和31以及连接在两者之间的万向轴30的结构用于实现齿条链节12的同步移动的控制。
惰轮20可通过其轴19枢轴式地支撑在一个位置可调的轴承32上，因此，惰轮20可以沿着垂向进行调节，从而按照需要对在导轨连接部分6中的齿条链节链条的拉伸作用进行调节。这里只是表示了两个轴承32的位置调节，但是这种调节也可以借助于公知的螺母/螺栓拉伸调节器来实现。
借助于驱动系统25，亦即借助于所示的驱动马达14、15和其它类似的未详细描述的驱动马达，齿条10、11可以分别在相应的主导轨4、7内上下移动，从而举升和下降承载轭22(图9)。作为一种选择，该承载轭22可以直接座落在齿条10、11上，即无需采用长形支承件23，并且支承轭22可以松弛地直接座落在齿条10、11上或者连接到齿条10、11上，因此，借助于该承载轭22，齿条10、11在主导轨4、7内的向下移动可以用于例如挤压一个管柱。
在作为示例的一个实施例中，该驱动系统25包括多个液压马达50(以及所述的电马达14、15)。在这种情况下，很容易形成一个升沉补偿系统，这对于在浮式钻井装置上使用该井架是非常重要的。该驱动系统25的液压马达50以一种本文未作说明的方式连接到一个液压蓄能器系统，该蓄能器系统包括一个低压进料泵。该蓄能器系统然后可以进行工作，当(承载轭22上的)举升载荷向下移动时，液压马达50作为一个泵从而将能量存储到本文未作说明的一个蓄能器或者多个蓄能器中。当举升载荷向上移动时，液压马达将协助举升作业，从蓄能器中取出能量。当载荷下降时，电马达14、15可以作为驱动马达来驱动承载轭22向下，从而将能量存贮到蓄能器中。
如图3所示，两个主导轨4、7被制成为C-形截面的导轨的形式，该主导轨4、7具有一个开口，该开口用于容纳承载轭22的端部37，但是在井架的最下端区域处、在靠近驱动系统25的位置有一个包套设置在导轨连接部分6、13中，这可以从图5、6可以看出。在靠近主动齿轮26、27的区域，主导轨4具有用于这些主动齿轮26、27的合适开口33、34，因此使得这些主动齿轮26、27可以与该区域中的齿条链节12上的齿17、18啮合。对于存放导轨5、8中的齿轮21来说也具有相同的结构。
如上所述，在驱动系统25上方，主导轨4、7为C-形截面，如图3所示，也可以从图7、8中看出。在主导轨4、7上的滑动表面与齿条链节12、13的滑动表面相互作用，在大多数情况下，需要保护主导轨的内部空间，因此这些滑动表面可以不必暴露在周围环境的应力下。
主导轨的这种隔离保护可以通过设置一个帆布传送带来实现。该帆布传送带覆盖主导轨上的敞开导轨槽35。这种类型的一个帆布传送带36如图7、8所示。该帆布传送带36内部嵌有磁性颗粒，而在主导轨4上则安装磁体(未示出)，这些磁体将把帆布传送带36保持就位在主导轨4上，因此，该帆布传送带36可以覆盖该导轨槽35，而该导轨槽用于容纳主导轨4内的承载轭33的一个相应端部，从而使得承载轭在井架内受到控制并与齿条10、11接触。在图7、8中的承载轭22的端部用附图标记37表示。如图7、8所示，在该承载轭22上设置滚轮38、39、40和41。当承载轭22在主导轨4上移动时，这些滚轮成对地与帆布传送带36相互作用，迫使该帆布传送带36远离主导轨4或者将该帆布传送带36再次保持在其位置上。如图所示，将这些滚轮进行定位从而使得帆布传送带36可以远离主导轨4而进行导向并穿过承载轭22上的一个凹槽42。在承载轭22的上方和下方，帆布传送带36都抵靠在主导轨4上并且对主导轨4的内部空间进行密封。
权利要求
1.一种井架，特别是钻机井架，该钻机井架包括一个井架构件和一个起吊设备，该起吊设备用于在该井架构件上举升负载，例如用来举升一个钻柱，其特征在于，所述的起吊设备包括互相平行的导向装置，所述的每一个导向装置包括一个垂向的主导轨(4、7)、一个与该主导轨(4、7)平行的存放导轨(5、8)和一个在所述井架的底部并位于所述两个导轨之间的导轨连接部分(6、9)；齿条(10、11)，所述的两个齿条分别可滑动地安装在各导向装置内，所述的齿条(10、11)被分成多个最好通过铰链连续地联接在一起的齿条链节(12、13)，这些齿条链节(12、13)被设计为在齿条(10，11)或者其一部分放置在垂向的主导轨(4、7)内时这些齿条链节(12、13)可以互相抵靠在一起，所述的主导轨(4、7)被设计为适合沿着水平方向支撑所述的齿条链节(12、13)；一个承载轭(22)，它由在相应垂向的主导轨(4、7)内的齿条(10、11)所支撑；以及一个驱动系统(25)，该驱动系统(25)包括主动齿轮(26、27、28)，该主动齿轮(26、27、28)与相应垂向主导轨(4、7)内的齿条链节(12、13)驱动啮合。
2.根据权利要求1的井架，其特征在于，所述的齿条链节(12、13)在其互相平行的两侧具有齿(17、18)。
3.根据权利要求1或2的井架，其特征在于，所述的每一个连接部分(6、9)包括一个惰轮(20)，该惰轮(20)可绕水平轴线(19)枢轴式地支撑，该惰轮(20)具有一个周边，该周边与位于所述导轨连接部分(6、9)上的齿条链节(12、13)接触。
4.根据权利要求3的井架，其特征在于，所述的惰轮(20)具有一个弹性的周边涂层(21)。
5.根据权利要求1到4的井架，其特征在于，所述的齿轮(31)与位于所述两个存放导轨(5、8)内的齿条(10、11)啮合，该齿轮(31)驱动连接到一个齿轮(29)，而该齿轮(29)与一个相应的主动齿轮(27)构成一种驱动啮合。
6.根据权利要求5的井架，其特征在于，所述的井架包括一个拉伸调节装置，用于调节在所述惰轮(20)下面的所述齿条链节(12、13)之间的相对拉伸作用。
7.根据权利要求6的井架，其特征在于，对所述的惰轮(20)进行支撑，从而使得该惰轮(20)的位置可以调整，以调节惰轮(20)处的齿条链节之间的相对拉伸作用。
8.根据权利要求1到7的井架，其特征在于，所述的驱动系统(25)包括一个用于每一个主动齿轮(26、27、28)的驱动马达(14、15)。
9.根据上述任一权利要求的井架，其特征在于，用于两个齿条(10、11)的直接相对的驱动马达被彼此驱动连接到一起。
10.根据上述任一权利要求的井架，其特征在于，每一个所述的齿条(10、11)连接到至少一个主动齿轮和至少另外一个主动齿轮，所述的一个主动齿轮驱动连接到一个电马达，所述的另外一个主动齿轮则驱动连接到一个液压马达，所述的液压马达连接到一个液压蓄能器。
11.根据上述任一权利要求的井架，其特征在于，所述的导向装置与周围环境隔离开来，并且适用于使所述的承载轭(22)在所述的主导轨(4、7)内进行隔离保护式的移动。
12.根据权利要求11的井架，其特征在于，承载轭(22)的隔离装置包括由承载轭(22)所致动的帆布传送带(36)，在所述的帆布传送带(36)内嵌有磁性颗粒，在主导轨(4)上安装磁体，该磁体将帆布传送带(36)保持就位在主导轨(4)上，从而使得该帆布传送带(36)可以覆盖所述的导向装置。
13.根据权利要求12的井架，其特征在于，在所述的承载轭(22)上安装滚轮(38-41)，当所述的承载轭(22)沿着所述的主导轨(4)移动时，这些滚轮(38-41)与帆布传送带(36)相互作用，从而迫使该帆布传送带(36)远离主导轨(4)或者使得该帆布传送带(36)再次保持在其位置上。
14.根据上述任一权利要求的井架，其特征在于，所述的驱动系统被制成为一个升沉补偿系统的形式。
全文摘要
本发明涉及一种井架,特别是一种钻机井架,该钻机井架包括一个井架构件和一个起吊设备,该起吊设备用于在该井架构件上举升负载,例如用来举升一个钻柱,所述的起吊设备包括:互相平行的导向装置,每一个导向装置包括一个垂向的主导轨(4、7)、一个与该主导轨平行的存放导轨(5、8)和一个在所述井架的底部并位于所述导轨之间的导轨连接部分(6、9);齿条(10、11)所述的齿条分别可滑动地安装在各导向装置内,所述的齿条(10,11)被分成多个通过铰链连续联接在一起的齿条链节(12、13),这些齿条链节(12、13)被设计为在齿条或者其一部分放置在垂向的主导轨(4、7)内时这些齿条链节可以互相抵靠在一起;所述的主导轨(4、7)被设计为适合沿着水平方向支撑所述的齿条链节(12、13);一个承载轭(22),它由在两个垂向主导轨(4、7)内的齿条(10、11)所支撑;以及一个驱动系统(25),该驱动系统包括一个主动齿轮(26、27、28),该主动齿轮(26、27、28)与相应垂向主导轨(4、7)内的齿条链节(12、13)啮合。
文档编号E21B19/083GK1261419SQ98806565
公开日2000年7月26日 申请日期1998年4月23日 优先权日1997年4月24日
发明者J·D·马德森, B·埃勒特森 申请人:工程及钻探机械有限公司