[发明专利]双速直接驱动绞车

说明书

技术领域

本发明涉及油田设备。更具体地，本发明涉及在油气钻井和开采中使用的绞车。更具体地，本发明涉及一种具有永磁电动机的绞车。另外，本发明涉及能够以两种不同的速度选择性地操作的永磁电动机驱动系统。

背景技术

绞车是在油气钻井和开采中使用的普通油田设备件。绞车通常安装在钻机附近。绞车的通常功能是将钻杆和套管从井眼升起和将钻杆和套管下入井眼中。绞车可以称为升降机或卷扬机。在钻井采矿业中使用许多不同尺寸的绞车。绞车的尺寸反映在这种绞车的额定功率中。这些绞车共用类似的操作模式和类似的设备。

当将诸如钻杆的负载插入裸眼井和从裸眼井取出钻杆时，绞车用于升起和下放所述负载。钻杆的取出可以需要取出超过30,000英尺的钻杆以在钻井操作期间改变钻头或工具。在典型的油井钻进操作期间，钻杆通常被多次升起和下入。

在采矿操作期间，类似的设备用于升起煤炭、盖层物质、砂砾石、磷酸盐和其它矿物质。绞车仅被用于一些典型操作。在采矿操作中，铲斗通常被降下以允许铲斗装载有物质。在铲斗被装载之后，绞车用于将装载的铲斗升起到一定高度，从而在地球以上的位置处卸载铲斗。

图1显示了使用现有技术绞车26的普通钻机10。绞车26安装到井架11内部中的钻台12。绞车26具有绕滑轮25延伸以从井眼16升起钻杆14和将钻杆下入到井眼16中的钢丝绳24。滑轮25又被公知为天车。井眼16形成在地球50中。钻杆14可以是为在地球15中的井眼16中延伸的一系列钻杆的钻柱。单独的钻杆14在螺纹接头17处连接到钻柱。钻柱的多个部分可以具有包括扶正器元件18的扶正器部，其中所述扶正器元件18沿着钻杆14的外表面螺旋地延伸从而以使钻杆14的中心在井眼16中的方式接合井眼16的壁。

绞车26使安装在井架11上的滑轮25上的钢丝绳24伸长和收回以升起和下入保持钻杆14的钻井单元19。钢丝绳24连接到游动滑车23。游动滑车23从通过绞车26伸长和收回的钢丝绳24悬挂并向上和向下移动。游动滑车23连接到钻井单元19。钻井单元19的上端具有水龙头22，钻井液在水龙头22被引入到钻杆14中，并且钻井单元19通过所述水龙头从游动滑车23悬挂。钻井单元19、钻杆操作器21和相关联的连接部件沿着轴线20垂直移动。通过刚性地连接到井架11的两个垂直导轨27或履带引导垂直移动。钻井单元19连接到托架(carriage)28。托架28具有接合导轨27的辊。导轨27引导托架28以沿着平行于垂直轴线20的导轨向上和向下垂直移动。钻杆14通过井口装置13被插入中井眼16中和从井眼16被移除。

绞车26通常具有中空滚筒、将滚筒连接到电动机的轴、位于电动机与滚筒之间的传动装置、以及用于使滚筒的旋转缓慢的制动系统。绞车26安装在钻机10的钻台12上。滚筒和轴的纵向轴线平行于钻台12。绞车26上使用的典型的电动机是AC电动机、DC电动机和柴油机内燃机。电力通常从电动机通过链传动机构或齿轮传动机构被传递给轴。制动系统可以使用用于制动滚筒的各种技术。制动系统可以使用盘式制动器、带式制动器、水冷却式制动器或电动制动器。当钢丝绳24被绞车26收回时，钢丝绳24绕着绞车26的滚筒卷绕。钢丝绳24绕绞车26的卷绕类似于螺纹绕卷轴的卷绕。

传动装置的使用产生通常与典型的绞车相关联的多个问题。传动装置成本高，使绞车的重量增加，并且需要定期修理。特别是在传动装置的完全失效的情况下，传动装置的维修的成本可能较高。在使用传动装置的情况下由于使用传动装置所固有的摩擦力而导致动力损失。典型的绞车26还使用大量能量以改变绞车26的旋转方向。因此，需要一种轻质、容易维修，使用较少能量并且更加能量有效的简单设计的绞车。

在过去，已经授予了关于绞车的各种专利。例如，2001年2月6日授予Dyer等人的美国专利第6,182,945号公开了一种完全冗余的绞车，所述绞车具有用于控制绞车的滚筒和滚筒轴以及给滚筒和滚筒轴提供动力的两个完全且整体独立的系统。每一个系统具有至少一个电源、动力传动装置和连接到电源和传动装置以及滚筒轴的联接器。每一个系统都具有诸如盘式制动器、带式制动器、电动制动器、或水冷却式制动器的制动系统。在任一个系统的任意部件失效的情况下，完全冗余的绞车具有从井眼升起钻杆以避免“卡住”钻杆的风险的能力。

1980年10月7日授予Johnson等人的美国专利第4,226,311号公开了一种适于与井眼钻进操作的绞车结合安装的盘式制动设备。所述设备自动感测钻杆中的任意反向转矩情况并迅速地设定致动以阻止将任意反向转矩传递给所述设备的转台装置离合器机构。