顶部驱动设备 【技术领域】
本发明涉及一种用于井筒作业的顶部驱动设备，涉及一种用于密封顶部驱动设备的转子和定子之间的界面的方法及其密封设备。
背景技术
在构建油井或气井的钻井孔过程中，钻头设置在钻柱的端部，使钻头旋转以穿过地层钻出井孔。通常称为“钻井泥浆”的钻井液通过钻柱被泵送至钻头以对钻头进行润滑。钻井泥浆还用于通过形成在钻柱和井孔之间的环形空间将由钻头产生的钻屑和其它固体携带到地面。钻井泥浆的密度被精确地控制以防止井孔倒塌并且确保最佳地进行钻井。钻井泥浆的密度影响钻头的进尺速度。通过调节钻井泥浆的密度，在可能发生井孔倒塌的损害的位置处改变进尺速度。钻井泥浆包括昂贵的合成油基润滑剂，因而通常要回收和重新利用用过的钻井泥浆，但这需要从钻井泥浆中去除固体。
用于钻井孔(例如油井和气井)的顶部驱动设备是两种用于钻井孔的通用型设备之一，另一种是转盘设备。顶部驱动设备通常包括容纳马达的主体，该马达用于使驱动轴旋转，该驱动轴具有可与管单根、管立根或管柱连接的接头。管可以是下述管中的任一种：钻杆、套管、衬管、附加管或任何用在构建、维护和维修井筒(例如油井和气井)的其它管。顶部驱动设备通常设置在钻机井架上的基本上竖直的轨道上。顶部驱动设备利用跨过与顶部驱动设备连接的游动滑车上的天车的钢丝绳在轨道上上升和下降。钢丝绳利用通常称为绞车的绞盘进行卷起和放出。顶部驱动设备因而可用于将管下入井筒和从井筒取出；使钻柱转动以便于钻出井筒；使管单根或管立根相对于悬持在井筒中的管柱旋转，从而使管与钻柱中管柱螺纹连接或分离以加长或缩短管柱。吊卡通常悬挂在附接于顶部驱动器的连接件上，从而便于操纵管和与接头对准以便与接头连接和分离。顶部驱动设备还可与从动或主动卡盘(spider)和/或与旋转钳结合，以便于将管与管柱连接和分离。
现有技术公开了多种多样的顶部驱动系统；例如，但并不限于，下面的美国专利提出的示例性顶部驱动系统及其部件：4,458,768；4,807,890；4,984,641；5,433,279；6,276,450；4,813,493；6,705,405；4,800,968；4,878,546；4,872,577；4,753,300；6,007,105；6,536,520；6,679,333；6,923,254，将所有这些专利的全部内容结合到本文以用于各种目的。
【发明内容】
顶部驱动器的主轴具有主轴轴承，该主轴轴承对于操作顶部驱动器很关键，并且因而对于操作钻机也很关键。来自湿气或泄漏的钻井液的污染物是主轴轴承发生故障的一个常见原因。泄漏的钻井液可能源自位于顶部驱动器主轴承和齿轮外壳上方的顶部驱动器的高压旋转接头密封件处的泄漏。于是，泄漏的流体可能向下流入顶部驱动器轴承和齿轮。
根据本发明，提供了一种用于井筒作业的顶部驱动设备，该顶部驱动设备包括转子、定子和用于在转子和定子之间进行密封的密封组件，其特征在于密封组件包括远离定子的平台和设置在平台上的密封设备，以使得润滑剂可顺着密封设备流动。有利的是，润滑剂是可顺着密封设备流动的受污染的润滑剂。平台优选从定子处凸起，以容许润滑剂或受污染的润滑剂流过密封设备。优选地，转子是中空的并且形成经过顶部驱动设备的马达的主轴的部分。污染物顺着平台上的密封件流动，从而防止污染物堆积在密封件上。
优选地，密封组件还包括遮蔽密封设备的护罩。优选地，护罩通过开放空间与平台分隔开。有利的是，该护罩与转子连接并且可随转子旋转。优选地，护罩包括截头圆锥形部分和向下延伸的壁部分，该截头圆锥形部分至少覆盖密封设备的所占区域并且有利地再延伸一些，壁部分优选地在密封设备的顶部部分上方向下延伸并且有利地延伸到密封设备底部地下方。优选地，护罩通过开放空间与凸起平台分隔开。
有利的是，转子包括密封件磨损环，密封设备与该磨损环接触。优选地，磨损环随转子旋转。有利的是，密封设备包括密封件和密封件外壳，该密封件外壳固定到平台上。密封件外壳可具有基本上竖直的外壁部分和顶部部分并且可不具有底部部分，该密封件安置于平台上。优选地，密封设备包括迷宫式非接触隔离装置。
优选地，顶部驱动设备还包括与密封设备连通的润滑设备，用于润滑密封设备的至少部分，有利的是，用于润滑密封件和转子或磨损环(如果使用的话)之间的界面。优选地，润滑设备包括位于平台中的通道。有利的是，润滑设备包括位于上密封件和下密封件之间的端口。
有利的是，密封组件位于顶部驱动设备的机罩内。
优选地，间隙设置在转子和定子之间，以使得润滑剂可在转子和定子之间流动。有利的是，另一个间隙或通道在平台下方设置于转子和定子之间，以容许润滑剂远离密封组件流动。
有利的是，顶部驱动设备还包括设置在转子和定子之间的轴承，其中密封组件设置在轴承上方。优选地，定子包括邻近转子的轴承保持器，用于将转子轴承保持到位，凸起平台位于轴承保持器上。
本发明还提供了一种用于密封顶部驱动器的转子和定子之间的界面的方法，密封组件设置在转子和定子之间，该方法包括容许润滑剂从密封件流出并且远离密封组件流动的步骤。
本发明还提供了一种用于井筒作业的顶部驱动设备，该顶部驱动设备包括转子、外壳和用于在转子和外壳之间进行密封的密封组件，其特征在于密封组件包括固定于转子并可随转子旋转的护罩和固定到外壳上的密封件。
本发明在某些方面披露了具有隔离的上部轴密封件的顶部驱动系统。该隔离防止对密封件的污染并且提供一种有效方式以保护顶部驱动器的主轴轴承不受污染。在某些方面，上部主轴密封件位于高压旋转接头密封件的下方且通过围绕主轴密封件和平台的保护罩或护罩容纳在位于主轴承/齿轮外壳上方的凸起平台上。包括上部密封件的凸起平台由圆柱形或圆锥形的外壳支承，该外壳向下延伸到主轴承/齿轮外壳的顶部。护罩围绕上部轴密封件及其圆柱形支承件；护罩在上部轴密封件的上方沿周向附接至主轴，污染物可顺着并且远离密封件流动，该污染物被上升到凸起平台的高度范围，从而防止污染物堆积在密封件上并且便于保持密封件的整体性。护罩防止从上方发生的主轴和护罩之间的泄漏并且随主轴旋转。
本发明在某些方面提供了一种用于井筒作业的顶部驱动系统，该顶部驱动系统包括：主体；马达设备(例如一个马达或两个分隔开的马达)；从主体延伸的主轴，该主轴具有顶端部和底端部，该主轴具有从顶部通向底部的主轴流动孔，钻井液可流动通过该主轴流动孔；与主轴连接且围绕主轴的套管轴；与套管轴互连的齿轮系统，该齿轮系统由马达设备驱动，以使对齿轮系统的驱动用于驱动套管轴并且因而驱动主轴；在主轴的顶端部上方与主轴连接的上部部件；和上部轴密封件隔离系统。
本发明在某些方面提供了一种用于井筒作业的顶部驱动系统，该顶部驱动系统包括：主体；马达设备(例如一个马达或两个分隔开的马达)；从主体延伸的主轴，该主轴具有顶端部和底端部，该主轴具有从顶部通向底部的主轴流动孔，钻井液可流动通过该主轴流动孔；与主轴互连的齿轮系统，该齿轮系统由马达设备驱动，以使对齿轮系统的驱动用于驱动主轴；在主轴的顶端部上方与主轴连接的上部部件，其支承高压密封设备；和上部轴密封件隔离系统。可选地，具有与主轴连接的套管轴。
【附图说明】
为了更好地理解本发明，现在以举例的方式参照附图进行描述，附图中：
图1是顶部驱动钻井设备的示意图；
图2A是根据本发明的顶部驱动设备的主视图；
图2B是图2A所示顶部驱动设备的侧视图；
图3A是根据本发明的轴隔离设备的主视图；
图3B是图3A所示设备在移除护罩后的主视图；
图3C是图3A所示设备的剖视图；
图4是根据本发明的轴隔离设备的剖视图。
【具体实施方式】
图1示出了一种包括顶部驱动设备14的钻机10，该顶部驱动设备14在结构上由井架11支承。钻机10还包括旋转接头13，顶部驱动设备14从旋转接头悬挂下来。顶部驱动设备的马达使主轴16旋转。外壳17保护顶部驱动设备14的部件。钻杆18或钻柱19从主轴16悬挂下来并且使钻头20旋转以在地层中钻出井筒。顶部驱动器14包括根据本发明的主轴密封件隔离设备30(示意性示出)。顶部驱动钻井设备14从绕过游动滑车12(未示出)的钢丝绳悬挂下来，顶部驱动设备14在钢丝绳上沿着一个或多个与井架11连接的轨道22上升和下降，用于引导顶部驱动设备14的竖直运动和/或抵抗由顶部驱动器14产生的扭矩。在使用顶部驱动设备的操作过程中(例如，在钻井过程中)所产生的扭矩通过带吊卡的管抓(dolly)传递到轨道22。主轴16延伸穿过马达外壳17并且与钻杆18连接。钻杆18通常与一系列统称为钻柱19的管状部件的一端形成螺纹连接。钻柱19的相对端与钻头20形成螺纹连接。
在操作过程中，装在外壳17内的马达设备15(示意性示出)使主轴16旋转，主轴16又使钻杆18/钻柱19和钻头20旋转。钻头20的旋转形成井筒21。通常称为钻井泥浆的钻井液被通过钻柱18向下泵送到钻头20并且通过形成在钻柱19和井筒21的井壁之间的环形空间从钻头20周围冲洗钻屑。钻井泥浆穿过顶部驱动器14的主轴16进入钻柱。
图2A和2B示出了一种根据本发明的顶部驱动设备100(其可如图1所示的顶部驱动设备14一样使用)，顶部驱动设备100具有从环扣102悬挂下来的支承提环104。环扣102可附接至游动滑车，比如图1所示的游动滑车13。使主轴160旋转的马达120支承在主体130上。机罩110支承鹅颈管106和冲洗管108，流体通过冲洗管108被泵送至设备100并且泵送经过设备100和经过穿过主轴160的流动通道。根据本发明的轴密封件隔离设备200(参见图3C)置于机罩110内。
主齿轮外壳140装入有齿轮设备(未示出)。牵引链设备170包装有牵引链和相关的部件。该牵引链设备170可代替旋转头使用并且为连接适配器180及与其连接的部件的重新定向提供充分的转动。可选地，可除去牵引链设备170而使用旋转头系统。
螺栓将机罩110可拆卸地紧固至主体130。移除螺栓允许移除机罩110。
设备100可通过可选地与可动设备(如带吊卡的管抓)连接而在井架的桅杆或井架的一部分(如井架11以及在其轨道22上)上运动，从而允许顶部驱动器和相关部件向上和向下运动以及朝向和远离井中心线运动(当在起下的过程中对钻管进行连接/分离时朝向井架；在钻井和/或提升时朝向井中心)。已知的设备和结构用于使连接件133运动和使带吊卡的管抓运动。
提环104的上部部分在环扣102的臂103上方延伸且由环扣102的臂103支承。每个提环104具有两个分隔开的下端105，下端105通过销107枢转地连接至主体130。可选地，单一提环用于支承主体130。
在一些实施例中，可以在不会造成干扰和不需移除设备的齿轮箱和传动装置的情况下，从设备100移除主轴160，以维修主轴或替换主轴。为了移除主轴160，优选将机罩110、鹅颈管106、冲洗管108和相关的盘根(packing)作为一个单元一起移除。用于压制主轴的螺栓164被移除。开口环167在连接适配器180下方被移除。然后从设备上移除主轴160。在该移除程序中，该设备的所有传动装置和密封件保持到位而且润滑剂没有移出或排出。
图3A至3C示出了一个上部轴密封件隔离设备200(其可如图1所示的设备30一样使用)的实施例。与上部齿轮箱外壳160r连接的轴承保持器160a将主轴轴承160b保持在竖直位置。轴承保持器160a具有在轴承保持器160a的安装凸缘160d上方凸起的平台部分160c。上部轴密封组件160e安装在平台160c上。紧固至主轴160的护罩160f向下并且围绕轴承保持器160a延伸。
护罩160f随主轴160旋转并且保护密封组件160e不受污染(例如，来自环境物质的污染和来自泄漏的钻井液的污染)。护罩160f的一部分160g径向向外延伸以向外且远离密封组件160e引导流体。护罩160f可与平台160c接触和/或与轴承保持器160a接触；或者，如图所示，护罩160f可利用其与平台和/或轴承保持器之间的开放空间与平台160c和/或轴承保持器160a分隔开。
冲洗管108具有盘根115和117。
根据本发明的轴密封件隔离设备(本文公开的任一种)用在任一顶部驱动器的主轴上都落入本发明的范围内。
图4示出了一种带有密封件隔离设备250(其可如图1所示的设备30一样使用)的顶部驱动器240(部分示出)。顶部驱动器240具有主轴270；轴承设备252；和润滑设备254。紧固至主轴270的上部护罩280装入有密封件平台290的一部分和上部密封件外壳292，该上部密封件外壳292紧固至密封件平台290。上部密封件外壳292中的一个或多个密封件294在主轴旋转时与主轴270上的密封件磨损环297密封接触。护罩280随主轴270旋转。可选地，护罩280向下延伸至上部密封件外壳292，或者，如图所示，向下延伸经过上部密封件外壳292。机罩260围绕密封件隔离设备250和主轴270的顶部。密封件平台290可紧固至顶部驱动器的任何合适结构或者由顶部驱动器的任何合适结构形成。如图所示，密封件平台290由机罩260的一部分形成。螺栓296(示出一个)将机罩260栓接至顶部驱动器。密封件外壳292通过螺栓292a栓接至机罩260。润滑剂经由通道295a和295b施加到密封件294。可移除的塞子295封闭通道295a。可选地，使用迷宫式非接触隔离装置代替密封件294，并且空气经由通道295a和295b施加到隔离装置。空气持续向上、向外流动，以有助于防止污染物进入隔离装置。
因此，本发明在一些但不必是全部的实施例中提供了一种用于井筒作业的顶部驱动设备，该顶部驱动设备包括：主体；马达设备；从主体延伸的主轴，该主轴具有顶端部和底端部，该主轴具有从顶部通向底部贯穿其中的主轴流动孔，钻井液可流动通过该主轴流动孔；与马达设备互连的齿轮设备；和上部轴密封件隔离设备。
因此，本发明在一些但不必是全部的实施例中提供了下述系统，其中，上部轴密封件隔离系统包括上部主轴密封件，上部主轴密封件位于高压旋转接头密封件之下并且通过围绕主轴密封件和平台的保护罩或护罩容纳于在主轴承/齿轮外壳上方凸起的平台上。包括上部密封件的凸起平台由圆柱形或圆锥形外壳支承，该外壳向下延伸到主轴承/齿轮外壳的顶部。护罩围绕上部轴密封件及其圆柱形支承件；护罩在上部轴密封件上方沿周向附接至主轴，防止从上方发生的主轴和护罩之间的泄漏；并且护罩随主轴旋转。
因此，本发明在一些但不必是全部的实施例中提供了一种用于井筒作业的顶部驱动系统，该顶部驱动系统包括：顶部驱动器主轴；包围顶部驱动器主轴的一部分的外壳，主轴的该部分具有外表面；包括凸起平台的外壳；用于密封外壳和顶部驱动器主轴的该部分之间界面的密封系统，该密封系统具有位于凸起平台上且由凸起平台支承的密封设备，该密封设备包括至少一个位于凸起平台上并且与包围在外壳内的主轴的该部分的外表面邻近的密封件；所述至少一个密封件的定位使得污染物可顺着所述至少一个密封件流动。这种顶部驱动系统可按照任何可能的组合方式具有下述特征中一个或一些：与顶部驱动器主轴连接且可随其旋转的护罩，该护罩邻近密封系统向下延伸且覆盖密封系统；护罩向下延伸超过密封系统的水平(level)；护罩通过开放空间与凸起平台分隔开；顶部驱动器主轴上的磨损环，所述至少一个密封件邻近磨损环且与磨损环接触；和/或与所述至少一个密封件连通的润滑设备，用于润滑所述至少一个密封件。
因此，本发明在一些但不必是全部的实施例中提供了一种用于井筒作业的顶部驱动系统，该顶部驱动系统包括：顶部驱动器主轴；与主轴接触的主轴轴承；包围顶部驱动器主轴的一部分的外壳，主轴的该部分具有外表面；邻近主轴的轴承保持器，用于将主轴轴承保持到位；轴承保持器上的凸起平台；密封系统，用于密封外壳和顶部驱动器主轴的该部分之间的界面，该密封系统具有位于凸起平台上且由凸起平台支承的密封设备，该密封设备包括至少一个位于凸起平台和包围在外壳内的主轴的该部分的外表面之间的密封件，所述至少一个密封件的定位使得污染物可顺着所述至少一个密封件流动。这种顶部驱动系统可按照任何可能的组合方式具有下述特征中一个或一些：与顶部驱动器主轴连接且可随其旋转的护罩，护罩邻近密封系统向下延伸且覆盖密封系统；护罩向下延伸超过密封系统的水平；护罩通过开放空间与凸起平台分隔开；顶部驱动器主轴上的磨损环，所述至少一个密封件邻近磨损环且与其接触；和/或与所述至少一个密封件连通的润滑设备，用于润滑所述至少一个密封件。
因此，本发明在一些但不必是全部的实施例中提供了一种用于密封顶部驱动系统的主轴和顶部驱动系统的外壳之间的界面的方法，该顶部驱动器用于井筒作业，该方法包括：将至少一个密封件邻近顶部驱动系统的主轴放置；将所述至少一个密封件置于顶部驱动系统的凸起平台上且将其定位成使得污染物可顺着所述至少一个密封件流动；该方法还包括使顶部驱动系统的主轴在其旋转时与所述至少一个密封件密封接触。这种方法可按照任何可能的组合方式具有下述特征中的一个或一些：使用护罩遮蔽密封设备，护罩与顶部驱动器主轴连接且可随顶部驱动器主轴旋转，而且护罩邻近密封系统向下延伸且覆盖密封系统；护罩向下延伸超过密封系统的水平；护罩通过开放空间与凸起平台分隔开；该顶部驱动系统具有在顶部驱动器主轴上的磨损环，所述至少一个密封件邻近磨损环且与磨损环接触；和/或其中顶部驱动系统包括与所述至少一个密封件连通的润滑设备，用于润滑所述至少一个密封件，该方法还包括润滑所述至少一个密封件。