在顶部驱动装置中使用的密封组件
技术领域
本发明涉及在顶部驱动装置中使用的密封组件以及带有密封组件的顶部驱动装置。
背景技术
用于钻井眼(比如油气井)的顶部驱动系统是两种普通类型的系统中的一种，另一种是转盘系统。顶部驱动系统通常包括主体，该主体容纳用于使接头旋转的马达，其具有连接到接头上的转子，该接头可连接到单根管、管立根(stand)或管柱上。该管可以是下列中的任一种：钻杆、套管、衬管、附加管或任何其他在井眼(比如油气井)的构建、维修和修理中使用的管。顶部驱动系统通常布置在钻机的井架上的基本上竖直的轨道上。顶部驱动系统利用越过天车和与顶部驱动系统连接的游动滑车的绳在轨道上提升和下放。该绳使用通常称为绞车的绞盘被卷入和放出。顶部驱动系统从而可以被用于使管进出井眼；旋转钻柱以利于钻井眼；以及旋转与悬持在井眼中的管柱相关的单根管或管立根以便螺纹连接或脱开钻柱中的管柱，从而加长或缩短管柱。吊卡通常依靠连接到顶部驱动装置上的连接件来便于管的操作以及和对准与其连接或脱开的接头。顶部驱动系统也可以与被动或主动驱动的卡盘和/或旋转夹钳结合使用以便于管与管柱的连接和脱开。
现有技术披露了多种用于密封旋转轴的弹性体唇形密封。这种密封经常用于容纳齿轮箱和其他机械组件中的润滑油。由于它们与相邻轴的摩擦接触，这种密封最终磨损或被损坏到它们意欲容纳的润滑剂或油可能泄漏的程度，产生了各种负面结果。这种密封的修理或替换可能花费大量的时间和费用，而且损失生产量，经常在可能顺利地接近密封之前需要拆除其他机器元件。
在现有技术中，有具有旋转主轴和推力轴承设备的多种顶部驱动装置。该推力轴承设备承受顶部驱动装置和连接到其上的管的重量。为了防止用于推力轴承设备的润滑剂向下流，轴密封与接触旋转轴的外表面的密封件一起使用。当这些密封磨损时，接近它们并替换它们是一项费钱和费时的工作。
现有技术公开了多种顶部驱动系统；例如，但不局限于此，下列的美国专利提出了示例性的顶部驱动系统和密封组件：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。
发明内容
根据本发明，提供了用于井眼操作的顶部驱动设备，所述顶部驱动设备包括：主体；马达设备；可旋转件；由马达设备驱动的用于旋转可旋转件的齿轮系统；用于在可旋转件周围提供润滑剂紧密密封的密封组件，该密封组件包括：邻近可旋转件的密封承座，在密封承座上或其中的主密封，该主密封接触可旋转件的周边，在密封承座上或其中的至少一个副密封，该副密封与可旋转件间隔开，密封承座可选择性地移动以便移动至少一个副密封进入与可旋转件进入密封接触。齿轮系统可以直接或间接(例如经由套筒轴(quill))地旋转主轴。润滑剂紧密密封可防止润滑剂的泄漏或者允许小量的润滑剂而不是大量的润滑剂穿越密封，从而防止齿轮系统不希望地在润滑剂变干的情况下运转。
优选地，旋转件是套筒轴，或者有利地是顶部驱动装置的主轴，该主轴在使用中旋转钻柱或套管柱。可旋转件可以包括密封环。优选地，密封环被固定到套筒轴或主轴上。优选地，使用过盈配合、焊接、粘合或其他连接手段将密封环装配到套筒轴或主轴上。有利地，可拆卸地固定到主轴上的定位器将密封环保持在适当位置。
优选地，可旋转件具有凹部或凹槽，所述副密封布置在其上，在该处，在移动所述密封承座离开所述凹部时，所述副密封接触所述可旋转件。有利地，主密封和副密封具有基本上相等尺寸的内径，使得密封彼此对准并且可以在相同平面中的表面上密封。
有利地，可旋转件具有从可旋转件延伸的轴肩，而且在所述密封保持器中，所述副密封从所述主密封后移，在该处，在朝向所述轴肩移动所述密封承座时所述副密封接触所述可旋转件。优选地，密封具有不同的内径，副密封具有比主密封更大的内径。
优选地，在所述密封保持器中，主密封被布置在副密封的下方。有利地，密封保持器可在螺纹件上移动。优选地，密封保持器包括螺纹表面，使得通过密封承座的旋转使副密封移动进入与可旋转件的密封接触。
有利地，密封保持器是圆筒形的，主密封和副密封布置在所述圆筒体的内表面中的至少一个凹部内，在所述圆筒体的外表面中的所述螺纹表面用于与在所述主体中的内螺纹配合。
优选地，密封保持器包括第一和第二隔室，所述第一隔室用于保持所述主密封而且所述第二隔室用于保持所述副密封。
有利地，可旋转件是圆柱形的。
本发明还提供在顶部驱动装置中使用的密封组件。该密封组件包括密封承座、在密封承座上或其中的主密封件和至少一个副密封件，和用于可选择地移动至少一个副密封的设备，使得在使用中主密封与构件密封接触，并且通过操作所述设备使副密封移动进入与可旋转件的密封接触。
优选地，设备包括螺纹螺栓。有利地，设备包括所述密封承座的螺纹部分。优选地，密封承座包括用于所述主密封和副密封中的每一个的隔室。有利地，密封承座通常是圆筒形的，所述主密封和副密封布置在所述密封承座的内表面中，副密封在主密封之上。替代地，在密封承座中，副密封可以布置在副密封的下方。
本发明还提供用于在顶部驱动设备中的可旋转件周围进行密封的方法。该顶部驱动设备包括主体、马达设备、可旋转件和由马达设备驱动用于旋转可旋转件的齿轮系统、用于在可旋转件周围提供润滑剂紧密密封的密封组件，该密封组件包括邻近可旋转件的密封承座、在密封承座上或其中的主密封件、在密封承座上或其中的至少一个副密封件，主密封件密封接触可旋转件的周边，该副密封件与可旋转件间隔开，所述方法包括移动密封承座以便移动至少一个副密封进入与可旋转件的密封接触的步骤。
本发明在某些方面提供带有至少两个密封的轴密封组件：最初使用的至少一个主密封和当主密封由于磨损或损坏而变得无效时可移动到位的至少一个副密封。
在一个特别的方面，副轴密封(一个或多个)被承载于在主密封被磨损时可选择性移动的可移动支撑件上。副密封件可以被移动到位以便密封接触轴外部，而不用接近主密封且不用拆除主密封。在轴上提供多个密封表面以使得副密封可以移动进入与相应密封表面的密封接触。
本发明在某些实施例中公开了一种顶部驱动系统，其带有驱动马达；连接到驱动马达上的齿轮系统；连接到齿轮系统上的驱动套筒轴和/或主轴；用于支承各项部件的顶部驱动装置支承系统；以及用主密封(一个或多个)和副密封或至少一个副密封来密封轴(例如主轴、套筒轴、和/或最下的旋转件)的根据本发明的多密封设备，当主密封不再有效时，该副密封或至少一个副密封可以移动进入与系统的轴(例如主轴和/或套筒轴)形成密封关系。在一个方面，副密封(一个或多个)被隔离在其中带有润滑剂的润滑剂槽(lubricant bath)或齿轮箱或齿轮外壳的部分内，使得副密封(一个或多个)在其移动和与密封表面形成密封接合之前处于润滑剂槽中而且免受外部碎屑和污染物的侵袭。因此，副密封(一个或多个)被保持在事实上新的、干净的环境中直到其被放置在使用位置。
附图说明
现在通过实例的方式来参考附图，以更好地理解本发明，其中：
图1是包括于钻机中的现有技术的顶部驱动钻井设备的示意图；
图2是带有根据本发明的密封设备的根据本发明的顶部驱动设备的主视图；
图3是图2所示设备的部分的横截面图；
图3A是根据本发明的顶部驱动设备的部分的横截面图；
图4A是根据本发明的顶部驱动设备的部分的横截面图；
图4B是图4A所示的顶部驱动设备的部分的放大图；
图4C是显示图4A所示的顶部驱动设备的横截面图，其中多个部件相对于彼此发生了移动；
图4D是根据本发明的顶部驱动设备的部分的横截面图。
具体实施方式
图1显示了带有支承顶部驱动装置TD的井架DK的典型的现有技术的钻井系统，顶部驱动装置TD使钻杆DP旋转。顶部驱动装置由天车CB之下的游动滑车被支承。钻台RF上的绞车DS举升和下放顶部驱动装置。顶部驱动装置在导向轨道GT上移动。在一个特别的方面，根据本发明的密封系统与根据本发明的顶部驱动系统一起使用，该顶部驱动系统在2006年4月28日提交的共同拥有的、序号为11/414,512、标题为“顶部驱动系统”的美国专利申请中被公开，为此，在此包含其全部内容。
图2显示了其带有顶部驱动装置1的根据本发明的顶部驱动设备S，该顶部驱动装置1具有驱动马达2；用轴承支撑4和支撑连杆4a连接到顶部驱动装置1上的齿轮系统3；冲管设备9；鹅颈管14；吊卡负载环5；泥浆防溅系统11；下内防喷器6；防溅接头7；顶部驱动主轴12；带有支撑8A的管夹持器8；以及根据本发明的密封系统10(示意性显示的)。
图3示例说明了用于如图2所示的密封设备10的部件(相同的附图标记表示相同部件)。用于顶部驱动系统S主轴12的密封设备10的一个实施例具有在密封承座20的支撑件16上的主密封14，其密封抵靠密封环18的下外表面18a。密封承座20用螺栓被拴接到连接顶部驱动装置的相邻结构的支承构件24上。防止流体(例如齿轮箱或外壳26中的油、润滑剂)经过该密封14漏出。可选地，带有连接螺栓31(一个或多个)的开口环30将密封环18保持在轴12上；或者密封环被直接固定到轴上。可选地，密封环18本身可以用过盈配合、合适的紧固件、连接器和/或粘合剂固定或粘附到主轴12上，可用或可不用开口环30。密封23a和23b密封着构件-24/承座-20的界面。
支撑件16被拴接到主体42上(或者与主体42整体形成)。螺栓13将支撑件16固定到支承构件24上。支撑件16和主体42通过旋转螺栓13(可以使用多个螺栓)而可上下移动。
典型的下径向轴承设备50的部分位于支承构件24之上。主推力轴承设备52定位在箱或外壳26(用虚线示意性显示)内。用于这些轴承的润滑油被保留在这些轴承上而不会经过密封系统10泄漏。
副密封34被固定到主体42上(例如，通过干涉配合、紧固件、和/或粘合剂)。该副密封34由于具有比主密封14更大的内径最初不会接触表面18a。为了利用副密封34来密封抵靠密封环18，螺栓13(一个或多个)被旋转以举升支撑件16和主体42，使得副密封36被移动邻近密封环18的第二表面18b。该第二表面18b具有比表面18a更大的直径，使得当副密封35被举升时，其密封接触第二表面18b。可选地，与密封34类似的另外的密封(一个或多个)被安放在密封34之上而且密封环18具有用于该另外的密封的另外密封表面以便当密封被举升到安放位置时进行密封接触。每一个另外的密封表面(比前一个密封表面更高)具有比前一个(下面的)密封表面更大的直径，而且每一个另外的密封(比前一个密封更高)具有比前一个(下面的)密封更大的内径。应该理解的是，图3说明了密封系统10(在图3中的左侧)一半，而右侧的该环、密封等等(未示出)是左侧的镜像。主密封14和副密封34以及密封承座20优选对着密封环18的整个周边。密封14抑制碎屑和污染物流向密封34。在一个方面，密封34位于外壳26的空间内并且浸浴在润滑剂中，进一步保护密封34直到它被使用。
提供带有两个(如所示的)表面(一个台阶面)或带有三个、四个或更多个这种台阶和带有三个、四个或更多个相应的另外的副密封的密封环18也在本发明的范围内。
图4A到4C显示了根据本发明的密封设备100，其用于密封抵靠顶部驱动系统(比如在基于美国申请11/414,512的共同未决PCT申请号PCT/G807/......中公开的顶部驱动系统)的套筒轴152(部分显示)。套筒轴152连接到顶部驱动主轴162(未示出连接)上而且套筒轴152与主轴162一起旋转。套筒轴152具有外表面154而且密封系统100的主密封102密封接触该外表面154。
套筒轴152具有圆周凹槽156，如图4A和4B所示，副密封104邻近凹槽156但还没有与套筒轴152接触。密封102、104是绕套筒轴152的圆周的圆周密封。密封116密封着承座-110/构件-115的界面。
密封102和104被固定到密封承座110上。多个可旋转地连接到密封承座110上的可旋转螺栓112(或单个螺栓)穿过构件114(例如但不局限于与下部的连接适配器相关联的杆)伸出。通过使螺栓112旋转而使密封承座110相对于构件115向下移动，如图4C所示，以向下移动副密封104经过凹槽156直到密封104密封接触套筒轴152的外表面。可选地和/或替代地，螺栓112可旋转以举升密封承座110从而向上移动密封104进入与套筒轴152的密封接触(在密封承座之上提供足够的空间以实现该操作)。
顶部驱动装置的由顶部驱动装置的马达(未示出)驱动的齿轮160与套筒轴152连接并且使该套筒轴152(其驱动主轴162)旋转。通过密封设备110来防止齿轮160的润滑剂向下流。
可选地和/或替代地，凹槽156位于主轴上而且密封系统被定位成使得密封系统的密封密封抵靠主轴(带有或不带有套筒轴)。
可选地和/或替代地，根据本发明的密封承座可以具有螺纹外径，其与邻近旋转轴的相应螺纹部分配合，以使得当密封承座的螺纹与相邻部分的螺纹啮合时，可以通过旋转密封承座和将其上下移动而使密封承座相对于轴上下移动。
如图3A所示，设备10a(类似于图3所示的设备10，相同的附图标记表示相同部件)具有带有与支承构件24a的螺纹24b螺纹配合的螺纹侧面20b的密封承座20a。通过旋转密封承座20a而向上移动密封34以密封接触表面18b。
如图4D所示，设备100a(类似于图4A的设备100；相同的附图标记表示相同的部件)具有带有与构件115a的螺纹115b螺纹配合的螺纹侧面110b的密封承座110a。通过旋转密封承座110a而相对于套筒轴152及其凹槽156移动密封102、104。在任一个方向上充分旋转密封承座110a将移动密封104进入与套筒轴152的密封接触。
因此，本发明在一些实施例(但不必在所有实施例)中提供了用于井眼操作的顶部驱动系统，该顶部驱动系统包括：马达设备；具有顶端和底端的主轴；由马达设备驱动的并与主轴相互连接以便驱动主轴的齿轮系统；邻近主轴的用于密封抵靠主轴的密封组件，该密封组件具有邻近主轴的密封承座、在密封承座上的主密封件、在密封承座上的至少一个副密封，主密封件密封接触主轴，而且密封承座可选择性地移动以便移动至少一个副密封进入与主轴的密封接触。这种系统可以以任何可能的组合具有下列特征中的一个或一些：其中，主轴具有连接到主轴上的密封环，该密封环具有带有第一直径的第一部分和带有第二直径的第二部分，第一直径小于第二直径，主密封件密封接触密封环的第一部分，副密封件邻近密封环的第二部分，而且密封承座可移动以便移动副密封进入与密封环的第二部分的密封接触；固定器可拆卸地固定到主轴上以保持密封环在适当位置；其中，密封承座利用与顶部驱动装置的部分进行螺纹配合的至少一个可旋转螺栓被可拆卸地固定到顶部驱动装置的邻近主轴的部分上，使得通过旋转至少一个螺栓来移动至少一个副密封进入与主轴的密封接触；和/或其中，密封承座具有承座螺纹表面而且顶部驱动系统的邻近主轴的部分具有部分螺纹表面，密封承座可利用承座螺纹表面与该部分螺纹表面的接合而旋转，以使得密封承座可移动以便移动至少一个副密封进入与主轴的密封接触。
因此，本发明在一些实施例(但不必在所有实施例)中提供了用于井眼操作的顶部驱动系统，该顶部驱动系统包括：马达设备；具有顶端和底端的主轴；连接到主轴的套筒轴；连接到套筒轴以便驱动套筒轴来驱动主轴的齿轮系统；套筒轴具有外表面和圆周凹槽；由马达设备驱动的齿轮系统；邻近主轴的用于密封抵靠主轴的密封组件，该密封组件具有邻近主轴的密封承座、在密封承座上的主密封件、在密封承座上的至少一个副密封，主密封件密封接触套筒轴的外表面，副密封最初邻近凹槽定位并且与凹槽间隔开，密封承座可选择性地移动以便移动至少一个副密封进入与套筒轴的外表面的密封接触。这种系统可以以任何可能的组合具有下列特征中的一个或一些：其中，密封承座利用与顶部驱动装置的部分进行螺纹配合的至少一个可旋转螺栓被可拆卸地固定到顶部驱动装置的部分上，使得通过旋转至少一个螺栓来移动至少一个副密封进入与套筒轴的外表面的密封接触；和/或其中，密封承座具有承座螺纹表面而且顶部驱动系统的邻近主轴的部分具有部分螺纹表面，密封承座可利用承座螺纹表面与该部分螺纹表面的接合而旋转，以使得密封承座可移动以便移动至少一个副密封进入与主轴的密封接触。
因此，本发明在一些实施例(但不必在所有实施例)中提供了用于密封抵靠轴的密封系统，该密封系统包括：在轴上的第一表面区域，该轴通常为圆柱形；在轴上的至少一个第二表面区域；在轴上的第一表面区域和至少一个第二表面区域绕轴沿圆周延伸；第一表面区域具有不同于至少一个第二表面区域的直径；密封承座；在密封承座上的第一密封，该第一密封与轴的第一表面区域密封接触；在密封承座上的至少一个第二密封，该至少一个第二密封最初不与轴接触；而且密封承座可移动以便移动至少一个第二密封进入与至少一个第二密封区域的密封接触。这种系统可以以任何可能的组合具有下列特征中的一个或一些：第一表面区域具有比至少一个第二表面区域更小的直径；第一表面区域具有等于第二表面区域的直径，轴具有环绕其的圆周凹槽而且至少一个第二密封最初邻近凹槽但不与凹槽接触，密封承座可移动以便移动至少一个第二密封进入与第二表面区域的密封接触；其中密封承座利用与该部分螺纹配合的至少一个可旋转螺栓被可拆卸地固定到包括轴的机械系统的一部分上，使得通过旋转该至少一个螺栓而移动至少一个第二密封进入与轴的密封接触；和/或其中，密封承座具有承座螺纹表面而且机械系统的邻近轴的一部分具有部分螺纹表面，密封承座可利用承座螺纹表面与该部分螺纹表面的接合而旋转，以使得密封承座可移动以便移动至少一个第二密封进入与轴的密封接触。
因此，本发明在一些实施例(但不必在所有实施例)中提供了用于密封抵靠机械系统的轴的方法，该机械系统包括：马达设备；具有顶端和底端的轴；由马达设备驱动的并与轴相互连接以便驱动轴的齿轮系统；邻近轴的用于密封抵靠轴的密封组件，该密封组件具有邻近轴的密封承座、在密封承座上的主密封件、在密封承座上的第二密封，主密封件用于密封接触轴，第二密封最初不与轴接触，而且密封承座可选择性地移动以便移动第二密封进入与轴的密封接触，该方法包括：定位密封承座使得主密封与轴密封接触，以及移动密封承座使得第二密封密封接触轴。这种方法可以以任何可能的组合具有下列特征中的一个和一些：其中轴是由马达驱动的主轴；其中轴是绕顶部驱动系统的主轴安放并连接到该主轴上的顶部驱动系统的套筒轴，与套筒轴连接的齿轮系统用于驱动套筒轴从而驱动主轴；其中机械系统是用于井眼操作的顶部驱动系统；以及其中轴是由马达驱动的主轴。