用于操纵钻井装置的绞车 【技术领域】
本发明涉及一种电绞车， 特别是涉及一种用于操纵钻井装置的绞车。背景技术
已知当较大装置要在地下的导管或隧洞内部提升或降低时， 通常采用提升和操纵绞车。 特别是， 在石油生产工作领域中， 绞车也用于操纵和提升钻杆， 该钻杆然后在井孔 内部降低。
绞车是钻机的关键部件， 因为当没有一个或更多个可靠或耐用的绞车时， 钻机不 能高效或安全地工作。
由于绞车是大部分普通钻机中的必须部件， 因此下面主要介绍与钻机相关的最普 通特征和功能。
具体地说， 钻机包括以下部件 ：
钻塔 ；
固定滑车， 该固定滑车固定在上述钻塔的顶部 ；
活动滑车， 用于在钻塔内部竖向运动， 具体地说， 该活动滑车通过经过多个滑轮的 多根索缆而悬挂在固定滑车下面 ；
一个或更多个绞车， 该绞车有提升绞筒， 用于释放和卷绕索缆， 活动滑车通过该索 缆升高和降低。
顶部驱动器， 该顶部驱动器悬挂在活动滑车上， 可在固定于钻塔上的多个引导件 上竖向滑动， 并设计成使得钻井组件 (drilling batterys) 进行旋转 ；
用于处理和支承钻井组件的装置， 该装置再由多个钻杆和位于孔底部处的钻头来 构成 ；
用于使得钻井液循环的装置， 该钻井液从井的底部除去由于钻头旋转产生的碎 屑。
更详细地说， 绞车必须执行以下操作 ：
逐渐释放索缆， 钻井组件设置在该索缆上， 以便保证在孔底部的钻头的重量在深 度增加时保持在恒定值 ； 因此， 绞车必须同时在索缆上施加恒定拉伸力。 该拉伸力用于支承 顶部驱动器以及钻井组件的重量的一部分 ；
当需要时快速提升顶部驱动器， 以便将杆添加在钻井组件上 ；
适当地缓慢升高钻井组件， 用于进行钻头更换， 且当更换完成时快速降低至继续 钻井的位置点。
因此， 用于石油生产用途的高效绞车必须有以下特征 ： 绞筒的可精细调节和可实 时转速变化 ； 绞筒的转速容易控制 ； 在绞筒上用于索缆拉伸力的力矩可控， 该力矩可实时 变化， 并可高效和精细地调节。
由于这些特征， 这些绞车通常必须提供有工作制动装置， 该工作制动装置可靠和
长寿命， 以便控制例如负载的降低。 而且， 用于钻机的绞车还必须提供有制动装置而用于当 工作制动器发生故障时静态地支承最大额定负载， 此外， 这些绞车需要尽可能少的维护以 及具有减小的尺寸和重量。
最后， 考虑到它们操作的领域的特殊性， 用于钻机的绞车必须有与在具有爆炸危 险的区域中的操作相符的特征。
用于钻机中使用的商用绞车 1 是已知的， 如图 1 中示意所示， 它提供有动力源 2( 在大部分情况下为电动的 )， 该动力源定位成邻近绞筒 3， 并通过万向轴 5、 连接器接头、 传动装置和离合器而与齿轮箱 4 连接， 以便改变绞筒 3 缠绕的速度。
这种绞车 1 的驱动并不是很有利， 实际上它们有一些缺点 ； 首先， 动力源 2 占据较 大空间， 产生噪音， 并对于在附近工作的人有危险。其次， 有变速齿轮的齿轮箱 4 需要昂贵 和频繁的维护， 且确实会使得绞车 1 的部件破裂的危险升高。
最后， 很多机械部件的使用限制了绞车 1 的机械性能的效率。传动链在工作过程 中受到峰值应力， 该应力可能使得链断裂， 具有灾难性的后果， 这在石油生产钻井领域中必 须绝对避免。
根据文献 US6793203(Wirth Maschinenbau)， 该文献披露的已知绞车包括两个直 流电动马达 (DC 马达 )， 这两个直流电动马达与变速齿轮箱配对， 该变速齿轮箱的输出轴有 小齿轮， 该小齿轮再与集成在绞筒上的齿轮啮合。 通过这些马达， 在绞筒两侧部中的一个上 安装制动盘和涡流制动器。
绞车还提供有由低功率电动马达构成的供给装置， 该低功率电动马达与高减速比 减速器单元配对， 它能够部分用作在绞筒索缆开卷过程中的制动。
用于钻机的绞车的另一发展形式是使用交流电动马达， 而不是直流电动马达 ； 交 流电动马达具有比由直流电动马达可获得的扭矩更高的扭矩， 特别是对于非常低的 RPM。 参 考图 3， 它表示了交流电动马达的扭矩在 RPM 增加时的曲线图， 根据间断循环 6 和根据连续 循环 7。
文献 US2008/0116432 还披露了用于卷绕和开卷索缆的电绞车， 其提供了减轻障 碍的方案， 其中的电绞车具有安装在绞车的旋转绞筒内部的电动马达。 不过， 该方案并不是 没有缺点， 因为已知电动马达的效率随着它的绕组温度的增加而降低。
实际上， 电动马达的效率取决于在马达自身工作过程中电流在流入绕组中时遇到 的电阻 ； 特别是， 电阻增加越大， 由焦耳效应引起的损失也越大， 因此总效率将降低。
图 2 的曲线图详细表示了电阻怎样随着电动马达的绕组温度增加而增大的实例。 当它们的温度增加 100℃时， 电阻损失甚至倍增。
而且， 马达的扭矩 ( 根据它的外径的二次方率 ) 通过绞车的绞筒的内部尺寸来调 节。
因此， 马达安装在绞筒内部从冷却和产生扭矩的观点来看遇到很多问题， 具有由 于过热而产生马达破坏的严重危险。 发明内容
本发明的目的是实现一种用于操纵钻井装置的绞车， 它没有上述缺点。 根据本发明， 用于操纵钻井装置的绞车如权利要求 1 所述来实现。附图说明
下面将参考附图介绍本发明， 附图表示了实施例的非限定实例， 附图中 ： 图 1 表示了具有减速系统的绞车， 该减速系统通过已知类型的齿轮和链来实现 ； 图 2 表示了用于绞车的电动马达的绕组的电阻与该绕组的温度关系曲线图 ； 图 3 表示了扭矩与电动马达转速的关系曲线图 ； 图 4 表示了本发明的绞车的优选实施例的侧视图 ； 图 5 表示了在图 4 的绞车中使用的电动马达的一部分 ； 图 6 中表示了在图 4 的绞车中使用的电动马达的第二部分 ； 图 7 中表示了图 4 的绞车的机器液压示意图 ； 图 8 中表示了图 4 的绞车的电源和控制系统的电线图。具体实施方式
参考图 4， 用于操纵钻井装置的绞车总体以参考标号 10 表示 ； 它包括用于装索缆 12 的绞筒 11， 该索缆 12 设计成提升和降低钻井装置 ( 未示出 )。 索缆 12 必须有这样的强度， 即： 该强度能够使索缆断裂之前以一定的安全余量支 承钻井装置的重量 ； 该余量有时由规章来确定， 该规章可能根据本发明的目的而变化。因 此， 索缆 12 优选至少局部由金属构成， 通常由缠绕在底索上的多个股线而形成， 并可以有 外部覆盖壳， 用于防止金属氧化剂的侵蚀。
绞筒 11( 该绞筒 11 基本为柱形形状， 并提供有折翼 11a， 该折翼 11a 与两个末端相 对应， 这两个末端设计成在它们之间限定的区域中容纳金属索缆 12) 与旋转型主轴 13 刚性 连接， 该主轴 13 在它的第一端和第二端通过多个第一轴承 14 来支承， 该第一轴承 14 分别 布置在支承框架 16 的侧部 15 上。
更具体地说， 主轴 13 和多个第一轴承 14 可以由用于支承绞筒 11 和索缆 12 的组 合重量的任意材料来制成， 还必须能够承受由电动马达 19 提供的扭矩以及由索缆 12 施加 的动态制动负载， 而不产生裂纹或断裂。因此， 它们合适的是使用高强度钢合金来制造。
绞车 10 还包括两个电动马达 19， 这两个电动马达 19 可以以顺时针的第一方向和 逆时针的第二方向协调旋转， 并安装成这样 ： 使得主轴 13( 从而使绞筒 11) 能够与它们一起 旋转， 且齿轮箱或其它减速装置并不产生干涉， 因此从结构方面考虑特别容易构造， 而且还 很安静。
更具体地说， 包括转子 21 和定子 22 的电动马达 19 在所述侧部 15 的外侧键连接 在主轴 13 上并键连接在各槽 20 上。这样， 转子 21 与主轴 13 成一体地旋转， 且不与任意类 型的减速装置或变速装置 ( 例如齿轮箱或类似装置 ) 发生干涉。 这样定位使得电动马达 19 容易安装， 且它们在绞车 10 的寿命循环中在工作需要更换时 ( 例如， 需要更大功率的电动 马达 ) 则能够快速更换， 而并不影响绞车 10 结构的其余部分， 特别是并不改变绞筒 11 的结 构。
布置在转子 21 外部并作为盖而 “包围” 该转子的定子 22 通过多个第二轴承 23 而 与转子 21 均匀耦联， 但是通过托架 24 而固定在支承框架 16 上， 该托架 24 优选是通过螺杆 连接件和螺栓而与所述支承框架刚性连接。实际上， 使用螺杆和螺栓使得最终受损的马达
19 或者绞筒 11 的部件能够拆卸和除去或更换。
对于电动马达 19， 它们可以为永磁体类型， 没有电刷 ( 无刷 )， 也称为 DC 无刷马 达、 永磁体同步马达或扭矩马达。
参考图 5， 这种电动马达 19 的特征在于具有永磁体 30， 该永磁体 30 径向安装在转 子 21 上以便沿单向基本对齐， 而定子 22 为条带类型 31， 它对着转子 21， 并定位在定子 22 的更内部区域中。
在定子 22 的外部部分中提供了多个环形槽道 32， 该环形槽道使得电动马达 19 和 输电线 33 能够冷却。更具体地说， 环形槽道 32 通过多个配件 36 而保持无泄露， 用于防止 包含于它们中的冷却流体离开和扩散至马达 19 的外侧 ； 而且， 环形槽道 32 与管配件 34 连 通， 如图 4 和 6 中所示， 该管配件 34 布置在定子 22 上， 凸出至电动马达 19 的外侧， 并设计 成与用于冷却流体循环的多个第一管 35 连接， 这些第一管 35 与两个电动马达 19 都连接。
用于本发明绞车 10 的操纵的电动马达 19 的特征还在于它们的物理尺寸 ； 实际上， 这些电动马达 19 有相对较高的直径 - 长度比， 且相对于其它类型的电动马达来说， 它们还 有大大减小的径向厚度。实际上， 它们的外径 Di 几乎与外径 Do 一样宽， 且对于转子 21 与 相对较小轴 ( 例如主轴 13) 的连接， 使用了减小的凸缘 21a。 在转子 21 和定子 22 之间有气套， 该气套确保马达的部件易于对齐和更好地冷却。
具有这种技术的电动马达有大大减小的时间常数， 因此有非常快的动态响应、 非 常宽的通带、 很高效率 ( 由于使用永磁体 ) 和较高速度 ( 与在转子 21 和定子 22 之间形成 的磁通的控制能力相关联 ) ； 最终， 所述类型的电动马达 19 能够形成最大的旋转扭矩， 该最 大旋转扭矩几乎与尽可能最小的转速相符。
而且， 永磁体和无刷电动马达 19( 例如在本发明中使用的 ) 的一个特征是与其它 类型的电动马达相比具有减小的 RPM( 通常它们以比作为最大转速的 1000RPM 低得多的转 速旋转 )。因此， 它们能够在不与通向绞筒 11 的减速装置相干涉的情况下运行。与任意电 动马达一样， 电动马达 19 也可以用作发电机， 并用于在索缆 12 的开卷过程中制动绞筒 11， 特别是在紧急情况时。在这种情况下， 电动马达 19 具有与一个或更多个合适尺寸的电阻器 电连接的输电线 33。
绞车 10 还包括用于制动绞筒的装置， 它设计成自主地使得旋转与电动马达 19 的 制动力配合地慢下来， 例如在电动马达 19 自身受损之后。
具体地说， 首先， 绞车 10 包括一对制动盘 40， 该对制动盘 40 例如通过多个螺钉 41 而布置和固定在绞筒 11 上， 以便与它成一体旋转。这些制动盘 40 设计成当由电动马达 19 提供的阻力扭矩不足以保持绞筒 11 的所需转速时使得绞筒 11 慢下来。显然， 在这种情况 下， 电动马达 19 并不接收电流， 而是它们基本用作发电机。
各制动盘 40 与各制动卡钳 42 耦联， 该制动卡钳 42 优选是固定在框架 16 上， 以便 固定在它上面。
制动卡钳 42 优选是通过液压回路来操作， 并可以为固定、 浮动或半浮动类型。
这些制动盘 40 为主动冷却类型， 并自通风。实际上， 它们不仅通过自身的旋转而 冷却 ( 由于空气循环 )， 还通过流体 ( 例如但不局限于水、 乙二醇或油 ) 来冷却， 该流体输入 并通过在主轴 13 内部的槽道 43， 该槽道 43 布置成沿主轴 13 的轴线方向， 并有进口槽道和 排出槽道， 它们与以下部件连接 ：
多个出口 44， 这些出口 44 设计成输入冷却液并靠近制动盘 40 的轨迹 ； 以及
多个第二管配件 45， 这些第二管配件 45 与多个第二管 46 连接， 这些第二管 46 与 循环泵 ( 为了清楚， 在图 4 中未示出 ) 相连。
其次， 绞车 10 具有安全辅助制动器 ( 未示出 )， 该安全辅助制动器设计成在故障时 通过阻碍绞车 10 的绞筒 11 的旋转而进行干涉。这些制动系统对于设计成用于钻机的绞车 非常重要， 因为当较重负载悬挂在索缆 12 上以及当突然停止向电动马达 19 供电和 / 或工 作制动器突然故障时， 尽管有电动马达的磁制动效果 ( 电动机效应 )， 索缆 12 仍可能以很高 的速度来开卷， 因此使得顶部驱动器和钻机系统的其它部件受到灾难性的破坏。安全辅助 制动器通过在检测到故障时 ( 例如通过位于绞车 10 的输电线 33 上的电流传感器 ) 基本立 即阻塞绞筒 11 的旋转而进行干涉。
即使永磁体马达在非常低速度下也能够很好地控制扭矩， 但为了使得电动马达 19 不会在钻井过程中过载， 绞车 10 还提供有自动钻井系统， 该自动钻井系统包括 ：
自主控制系统， 用于索缆 12 在钻井过程中的开卷 ；
常规的低功率、 交流第三电动马达 19′ ( 通常大约 30kW) ；
可自动操作的接头， 该接头有齿， 该齿能够将主轴 13 的运动从第三电动马达 19′ 传递给绞筒 11。 自动钻井系统还构成在电动马达 19 故障时绞车 10 的紧急情况操作， 并能够以三 种不同模式来操作 ：
第一 “恒定负载” 模式， 其中， 自动钻井系统检测钻头按压在钻孔底部上的力， 并将 该力调节在一个值， 以便保持恒定 ；
第二 “恒定速度” 模式， 其中， 绞筒 11 有恒定转速， 因此钻井组件有下降速度， 该下 降速度恒定， 且独立于钻头施加在钻孔底部上的力 ；
第三 “恒定流体压力” 模式， 其中， 绞筒 11 的转速和钻井组件的下降速度调节成这 样， 通过所谓的底部孔马达 ( 未示出 ) 的作用， 而使得用于使钻头旋转的流体压力保持恒 定。
绞车 10 还提供有电动马达 19 的通风系统 50， 该通风系统 50 设计成能够在具有爆 炸危险的区域中操作。
更详细地说， 参考图 4( 关于机械布置 ) 和图 7( 关于管路 - 机械混合图 )， 通风系 统 50 还允许电动马达 19 的定子 22 内部的区域增压， 并包括 ：
远处的风扇 70， 该风扇 70 与提供有可调节减压阀 73 的导管 72 连接 ；
进口连接管配件 74 和出口过滤器 75， 它们分别设计成接收来自导管 72 的增压空 气和使得空气从电动马达 19 和第三电动马达 19′排除。
详细地说， 在钻井过程中， 远处的风扇 70 相对于绞车 10 从远处区域抽吸空气， 该 绞车 10 通常安装在非常靠近井的中心， 并将空气送至其上安装绞车 10 的该钻井平台上。
另一方面， 减压阀 73 布置在电动马达 19 附近， 并优选是将发送给电动马达 19 框 架的空气的压力减小至优选是高于大气压力 1 巴或更小的压力。一旦输入电动马达 19 中， 空气通过出口过滤器 75 而离开， 然后分散至深井周围的区域中。
详细地说， 在钻井过程中， 存在于框架内部的压力 ( 相对高于大气压力 ) 并不允许 在紧邻井的区域的大气与电动马达 19 的内侧接触。实际上， 该大气的特征可以是以无边界
的方式存在具有很高的易燃性或 ( 甚至更糟 ) 爆炸性的气体混合物。
实际上， 尽管无刷马达与使用电刷的电动马达相比在它们工作过程中产生电火花 引爆极的危险更小， 但是该危险不能排除， 且因此电动马达 19 的框架用于与周围环境隔 离。使得电动马达 19 的框架内部存在比大气压力更高的压力则更加防止易燃性气体进入 马达内的危险。
从控制学的观点来看， 绞车 10 的电动马达 19 布置成这样， 它们允许连续和精确地 调节转速和扭矩。
参考图 8， 电动马达 19 的控制通过控制网 80 来进行， 该控制网 80 至少包括用于各 马达 19 的控制器 ( 或驱动器 )81 以及通过一个或多个用于数据交换的电缆 82 而与各控制 器 81 电连接的可编程逻辑控制器 81。
更详细地说， 各控制器 81 具有 ：
一个或多个输入部 81.1， 该输入部直接与外部电源 83 连接 ； 以及
一个或多个输出部 81.2， 该输出部直接与电动马达 19 连接 ；
且该控制器还设计成根据来自可编程逻辑控制器 81 的电信号来调节各电动马达 19 的转速， 以及执行辅助功能例如防止过载和用作电流限制器等， 用作从直流 (c.c) 至交 流 (a.c) 的变换器。
更具体地说， 通过可编程逻辑控制器 81， 电动马达 19 的速度和扭矩通过使用两个 独立的传感器而被连续监测。 根据由控制器 81 提供的电压和扭矩值， 可编程逻辑控制器 81 向设计成增加或减小传送给电动马达 19 的电流值的控制器 81 发送信号。
电动马达 19 通过 PWM( 脉冲宽度调制 ) 来控制。
脉冲宽度调制支持向电动马达供给具有方形波形的电压， 该方形波形具有固定频 率 ( 从几 kHz 至 20kHz) 和可变占空度。
实际上， 占空度 d 定义为在方形波处于第一较高水平时的时间间隔 τ 和方形波自 身的周期 T(T 是频率的倒数， T-τ 是方形波处于第二较低水平时的时间间隔 ) 之间的比率。 当占空度变化时， 施加在电动马达上的电压的平均值变化 ( 该值可容易地通过在一个或多 个波形周期上积分而推出 )。
基本上， 马达 “感觉” 电压平均值， 且由马达提供的速度和扭矩因此取决于电压平 均值自身。
另一方面， 为了使得永磁体直流 (c.c.) 马达的旋转方向反向， 需要使得电枢电压 的极性反向。
可编程逻辑控制器 81 还提供有监测和诊断系统， 该监测和诊断系统设计成检查 绞车 10( 特别是电动马达 19 和控制器 81) 的正确操作。当并不这样时， 可编程逻辑控制器 81 产生警告信号 ( 例如激活视觉或声音信号 )， 而且， 它可以在系统的工作制动发生故障时 管理电动马达 19 的输电线 33 的开关， 以便使用电动马达 19 作为紧急情况制动器。
最后， 可编程逻辑控制器 81 通过控制电缆 85 而与控制台 84 连接 ； 控制台基本是 用户界面， 一个或多个操作人员可以通过该用户界面来调节 ( 例如但不局限于 ) 电动马达 19 的旋转方向、 它们的转速、 它们的扭矩和制动。
由前述说明可以清楚本发明的优点。具体地说， 本发明的绞车能够将主轴 13 上的 扭转负载均等地分布在绞筒 11 的两侧， 因为存在两个电动马达 19， 一个布置在一侧。等负载分布也通过布置的一对制动系统来产生， 该制动系统由盘 40 和卡钳 42 构成， 它们也一个 布置在绞车 10 的绞筒 11 的一侧。
这些电动马达 19 制造简单， 且由于它们的结构类型的原因， 它们能够在低 RPM 时 产生很强的扭矩， 同时能够非常精确地调节它们的转速。
因此， 不需要设计成改变在绞筒 11 的转速和电动马达 19 的转速之间的比率的减 速结构， 例如改变齿轮、 减少机械部件、 齿轮或链 ； 这样， 在操作的无噪音、 制造成本的降低、 基本有故障和磨损危险的部件数目降低、 绞车自身的障碍减少等方面获得更大的优点。
另一优点是由于电动马达 19 有特别受限的纵向发展， 这有助于降低绞车 10 的总 体尺寸以及降低它的重量。
这里所述的绞车 10 也可以在具有起火和爆炸的高危险性区域中操作， 因为存在 电动马达 19 和第三电动马达 19′的增压系统， 且该绞车设计成也可以在高温下操作， 因为 电动马达 19 进行主动冷却。
这里所述的装置可以进行一些变化。具体地说， 在控制器 81 和可编程逻辑控制器 81 之间的连接可以通过无线技术来实现 ； 制动盘 40 可以布置成连接在绞筒 11 的各侧， 且 用于钻井操作的常规马达可以布置成对， 一个在绞车 10 的一侧。
索缆 12 也可以由一对元件形成， 或者倍增或三倍， 或者可以使用合成材料或者混 合的合成 / 天然材料来代替钢。