本發(fā)明涉及一種石油機(jī)械領(lǐng)域，特別涉及一種鉆井用液壓頂驅(qū)背鉗。

背景技術(shù)：

頂部驅(qū)動(dòng)鉆井系統(tǒng)是先進(jìn)鉆井裝備的代表，擁有廣闊的前景。頂驅(qū)具有自動(dòng)化程度高、處理事故能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。其最大的優(yōu)勢(shì)是能夠在井架的任何高度進(jìn)行上卸扣作業(yè)，實(shí)現(xiàn)立根鉆進(jìn)，鉆井速度高。頂驅(qū)接立根必須進(jìn)行鉆桿上卸扣作業(yè)，這個(gè)過程需要頻繁使用的機(jī)構(gòu)就是背鉗。背鉗承受上卸扣的交變應(yīng)力，因而要求背鉗結(jié)構(gòu)疲勞性能好。由于鉆井時(shí)間成本昂貴，背鉗必須功能健全且故障率低。

現(xiàn)有背鉗可以分為環(huán)形背鉗和側(cè)掛式背鉗兩大類：

環(huán)形背鉗，不需扶正機(jī)構(gòu)就能自動(dòng)對(duì)中。缺點(diǎn)是維護(hù)和保養(yǎng)不便，尤其是更換牙塊、保護(hù)短節(jié)或IBOP比較困難。往往需要拆除環(huán)形背鉗才能對(duì)上述的零件進(jìn)行更換。更換零件時(shí)，頂驅(qū)無法工作，耗費(fèi)寶貴的作業(yè)時(shí)間。而且環(huán)形背鉗體積龐大笨重，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。實(shí)際運(yùn)用中存在復(fù)位困難的問題，故障率較高。

側(cè)掛式背鉗，包括對(duì)開式和側(cè)開式。這類背鉗體積較小，重量較輕。但是現(xiàn)有的各項(xiàng)同類專利以及實(shí)物中，均采用豎直液壓實(shí)現(xiàn)豎直運(yùn)動(dòng)，水平液壓實(shí)現(xiàn)，即具有兩個(gè)不同方向的液壓設(shè)備，存在結(jié)構(gòu)和功能的冗余。并且由于重心偏置，存在上扣對(duì)心困難和鉆桿偏磨的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種鉆井用液壓頂驅(qū)背鉗。

一種鉆井用液壓頂驅(qū)背鉗，其技術(shù)方案是：包括背鉗導(dǎo)軌、滾輪、背鉗主體、液壓動(dòng)力、彈簧、杠桿、軸以及第一六棱柱牙塊、第二六棱柱牙塊，杠桿通過軸裝配于背鉗主體，所述的杠桿由杠桿左端、杠桿體、約束帶、牙塊組成，杠桿左端下表面由彈簧支撐，杠桿下端裝有牙塊，兩個(gè)牙塊之間由約束帶連接，第一六棱柱牙塊和第二六棱柱牙塊分別裝配在背鉗主體右端預(yù)制的兩個(gè)六棱柱孔中，且鉆桿截面中心、第一六棱柱牙塊和第二六棱柱牙塊的截面中心連線成120度；

液壓動(dòng)力包括液壓缸、液壓活塞桿、弧形蹄片，液壓活塞桿下端穿過背鉗主體上預(yù)留孔后安裝上弧形蹄片，使弧形蹄片位于杠桿左端正上方，所述的液壓活塞桿在下行時(shí)弧形蹄片與杠桿左端接觸，并推動(dòng)杠桿左端向下運(yùn)動(dòng)，整個(gè)杠桿繞軸旋轉(zhuǎn)，杠桿下端推動(dòng)鉆桿向右運(yùn)動(dòng)，所述弧形蹄片尺寸大于背鉗主體上預(yù)留孔孔徑，上提時(shí)能夠帶動(dòng)整個(gè)背鉗上移，背鉗主體裝配在背鉗導(dǎo)軌上，通過滾輪上下移動(dòng)。

上述的牙塊、第一六棱柱牙塊和第二六棱柱牙塊由耐磨材料制成。

上述的杠桿左端長(zhǎng)度為30~55cm，杠桿下端長(zhǎng)度為30~45cm。

上述的背鉗主體預(yù)留與第一六棱柱牙塊或第二六棱柱牙塊配合的六棱形缺口，且兩個(gè)六棱形缺口有兩組四條邊互相平行。

本發(fā)明提到的鉆井用液壓頂驅(qū)背鉗，鉆桿上扣過程時(shí)，包括以下步驟：

第一步，準(zhǔn)備階段：

開始鉆井之前根據(jù)不同管徑，從背鉗主體中提起第一六棱柱牙塊和第二六棱柱牙塊，旋轉(zhuǎn)使工作面對(duì)著鉆桿，每次變換鉆桿管徑后只需調(diào)整一次；

第二步，下行階段，鉆桿預(yù)夾緊：

液壓缸正向充油增壓，液壓活塞桿、弧形蹄片以及整個(gè)背鉗主體向下剛性平移運(yùn)動(dòng)，背鉗整體下移至背鉗導(dǎo)軌最低端，使鉆桿進(jìn)入加緊區(qū)域，此過程中彈簧未受到壓縮，只起到維持杠桿的位置作用；

第三步，夾緊鉆桿：

液壓活塞桿繼續(xù)向下，弧形蹄片推動(dòng)杠桿左端向下運(yùn)動(dòng)，彈簧被壓縮，同時(shí)杠桿開始繞軸旋轉(zhuǎn)，杠桿下端的約束帶接觸鉆桿并向右側(cè)推，直至杠桿下端的約束帶、牙塊與六棱柱牙塊配合夾緊鉆桿；約束帶、牙塊的運(yùn)動(dòng)過程如下，當(dāng)約束帶完全包絡(luò)鉆桿時(shí)，約束帶將兩側(cè)牙塊向中間拉動(dòng)，牙塊接觸到鉆桿，推動(dòng)鉆桿與六棱柱牙塊貼合，鉆桿不圓度矯正，約束帶的長(zhǎng)度為90~130cm，同時(shí)具有柔性和剛性?shī)A緊，共同約束鉆桿的旋轉(zhuǎn)，液壓維持20~30秒；

第四步，頂驅(qū)主軸鉆轉(zhuǎn)，擰緊鉆桿和保護(hù)短節(jié)；

第五步，解除約束，放松鉆桿：

上扣完成后，液壓缸反向充油，液壓活塞桿和弧形蹄片上行，彈簧使杠桿反方向旋轉(zhuǎn)，杠桿下端夾持解除；

第六步，上行階段，背鉗復(fù)位：

待弧形蹄片上行至背鉗主體上側(cè)預(yù)留孔后，整個(gè)背鉗主體隨著液壓活塞桿向上移動(dòng)離開鉆桿工作區(qū)域；

卸扣的工作過程與此類似，只是主軸旋轉(zhuǎn)方向不同，不再贅述。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于僅有一個(gè)豎直方向的液壓缸，故障率低，使用壽命長(zhǎng)，冬季不易發(fā)生結(jié)凍，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕，制造成本低。對(duì)鉆桿的包絡(luò)角度大，能夠?qū)λ鶌A鉆桿進(jìn)行一定的矯圓作用，使有一定變形的鉆桿上卸扣更順利。夾緊部分綜合運(yùn)用柔性和剛性?shī)A緊，能夠靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的管徑的緊密，夾緊性能好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明不含背鉗導(dǎo)軌的背鉗背鉗主體示意圖；

圖2為背鉗的正視圖；

圖3 為杠桿的示意圖；

圖4 為六棱柱牙塊的示意圖；

圖5 是背鉗夾持工藝過程的背鉗準(zhǔn)備階段圖；

圖6 是背鉗夾持工藝過程的背鉗主體下行階段圖；

圖7 是背鉗夾持工藝過程的背鉗主體到導(dǎo)軌底部圖；

圖8 是背鉗夾持工藝過程的背鉗夾緊階段圖；

圖9是背鉗夾持工藝過程的背鉗放松階段圖；

圖10 是背鉗夾持工藝過程的背鉗上行階段圖；

圖中：背鉗導(dǎo)軌1、背鉗主體3、液壓動(dòng)力4、彈簧5、杠桿6、軸7以及第一六棱柱牙塊8、鉆桿9、第二六棱柱牙塊10；

液壓缸4a、液壓活塞桿4b、弧形蹄片4c；杠桿左端6a、杠桿體6b、約束帶6c、牙塊6d。

具體實(shí)施方式

結(jié)合附圖1-5，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：

一種鉆井用液壓頂驅(qū)背鉗，其技術(shù)方案是：包括背鉗導(dǎo)軌1、滾輪、背鉗主體3、液壓動(dòng)力4、彈簧5、杠桿6、軸7以及第一六棱柱牙塊8、第二六棱柱牙塊10，杠桿6通過軸7裝配于背鉗背鉗主體3，所述的杠桿6由杠桿左端6a、杠桿體6b、約束帶6c、牙塊6d組成，杠桿左端6a下表面由彈簧5支撐，杠桿下端裝有牙塊6d，兩個(gè)牙塊之間由約束帶6c連接，第一六棱柱牙塊8和第二六棱柱牙塊10分別裝配在背鉗主體3右端預(yù)制的兩個(gè)六棱柱孔中，且鉆桿9截面中心、第一六棱柱牙塊8和第二六棱柱牙塊10的截面中心連線成120度，兩個(gè)六棱柱牙塊距鉆桿中心距離為60~80cm。對(duì)不同管徑的鉆桿，約束帶可以調(diào)整牙塊間距。另外，杠桿左端為平板狀，杠桿下端采用柔性的約束帶和剛性的牙塊形成符合復(fù)合約束，其中約束帶內(nèi)含鋼絲等的抗拉芯材。

液壓動(dòng)力4包括液壓缸4a、液壓活塞桿4b、弧形蹄片4c，液壓活塞桿4b下端穿過背鉗主體3上預(yù)留孔后安裝上弧形蹄片4c，使弧形蹄片4c位于杠桿左端6a正上方，所述在液壓活塞桿4b下行時(shí)弧形蹄片4c與杠桿左端6a接觸，并推動(dòng)杠桿左端6a向下運(yùn)動(dòng)，整個(gè)杠桿6繞軸7旋轉(zhuǎn)，杠桿下端推動(dòng)鉆桿向右運(yùn)動(dòng)，所述弧形蹄片4c尺寸大于背鉗主體3上預(yù)留孔孔徑，上提時(shí)能夠帶動(dòng)整個(gè)背鉗上移，背鉗主體3裝配在背鉗導(dǎo)軌1上，通過滾輪上下移動(dòng)。

其中，所述牙塊6d、第一六棱柱牙塊8和第二六棱柱牙塊10由耐磨材料制成。上述的杠桿左端6a長(zhǎng)度為30~55cm，杠桿下端長(zhǎng)度為30~45cm，約束帶6c的長(zhǎng)度為90~130cm。上述的背鉗主體3預(yù)留與第一六棱柱牙塊8或第二六棱柱牙塊10配合的六棱形缺口，且兩個(gè)六棱形缺口有兩組四條邊互相平行，六個(gè)棱根據(jù)各個(gè)不同的管徑加工成相應(yīng)的弧度，每次使用時(shí)只需要旋轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)的棱拆卸相應(yīng)部分，其余的棱仍保持原狀。六個(gè)牙塊的適用直徑依此為：88.9mm，139.7mm，101.6mm，137.92mm，114.3mm，127mm。

參照附圖5-10，本發(fā)明提到的鉆井用液壓頂驅(qū)背鉗，其技術(shù)方案如下：鉆桿上扣過程時(shí)，

第一步，準(zhǔn)備階段（如圖5）：

開始鉆井之前根據(jù)不同管徑，從背鉗主體中提起第一六棱柱牙塊8和第二六棱柱牙塊10，旋轉(zhuǎn)使工作面對(duì)著鉆桿，每次變換鉆桿管徑后只需調(diào)整一次；

第二步，下行階段，鉆桿預(yù)夾緊（如圖6、7）：

液壓缸4a正向充油增壓，液壓活塞桿4b、弧形蹄片4c以及整個(gè)背鉗主體3向下剛性平移運(yùn)動(dòng)，背鉗整體下移至背鉗導(dǎo)軌最低端，使鉆桿進(jìn)入加緊區(qū)域，此過程中彈簧5未受到壓縮，只起到維持杠桿的位置作用；

第三步，夾緊鉆桿（如圖8）：

液壓活塞桿4b繼續(xù)向下，弧形蹄片4c推動(dòng)杠桿左端6a向下運(yùn)動(dòng)，彈簧5被壓縮，同時(shí)杠桿6開始繞軸7旋轉(zhuǎn)，杠桿下端的約束帶6c接觸鉆桿并向右側(cè)推，直至杠桿下端的約束帶6c、牙塊6d與六棱柱牙塊配合夾緊鉆桿9；約束帶6c、牙塊6d的運(yùn)動(dòng)過程如下，當(dāng)約束帶6c完全包絡(luò)鉆桿9時(shí)，約束帶6c將兩側(cè)牙塊6d向中間拉動(dòng)，牙塊6d接觸到鉆桿9，推動(dòng)鉆桿與六棱柱牙塊貼合，鉆桿不圓度矯正，約束帶的長(zhǎng)度為90~130cm，同時(shí)具有柔性和剛性?shī)A緊，共同約束鉆桿的旋轉(zhuǎn)，液壓維持20~30秒；

第四步，頂驅(qū)主軸鉆轉(zhuǎn)，擰緊鉆桿和保護(hù)短節(jié)（與現(xiàn)有技術(shù)相同不再贅述）；

第五步，解除約束，放松鉆桿（如圖9）：

上扣完成后，液壓缸4a反向充油，液壓活塞桿4b和弧形蹄片4c上行，彈簧5使杠桿6反方向旋轉(zhuǎn)，杠桿下端夾持解除；

第六步，上行階段，背鉗復(fù)位（如圖10）：

待弧形蹄片4c上行至背鉗主體3上側(cè)預(yù)留孔后，整個(gè)背鉗主體隨著液壓活塞桿4b向上移動(dòng)離開鉆桿工作區(qū)域；

卸扣的工作過程與此類似，只是主軸旋轉(zhuǎn)方向不同，不再贅述。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)如下：

1、包絡(luò)角度大，能夠?qū)λ鱼@桿進(jìn)行一定的校圓功能，對(duì)具有變形的鉆桿有一定的適用性，延長(zhǎng)鉆桿的使用壽命。由于杠桿右側(cè)的六棱柱不同齒形是針對(duì)不同規(guī)格的管徑設(shè)計(jì)的，每個(gè)棱柱對(duì)鉆桿的包絡(luò)角都在80度以上，左端的復(fù)合約束包絡(luò)角在100度以上，總包絡(luò)角不小于260度；

2、柔性和剛性復(fù)合夾緊，夾緊性能好。杠桿6c和6d部分的設(shè)計(jì)，使約束帶6c首先接觸鉆桿，隨著推力的增加包絡(luò)面也在增加，能夠保障三部分牙塊同時(shí)達(dá)到最大夾緊力。既有柔性約束又有剛性約束，夾緊力更加均勻，夾持穩(wěn)定性好。與傳統(tǒng)的剛性?shī)A緊相比，達(dá)到相同的夾緊效果需要的夾緊力更小。抵抗扭轉(zhuǎn)性能良好，延長(zhǎng)了鉆桿的使用壽命；

3、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低。只有一個(gè)液壓缸就實(shí)現(xiàn)了背鉗的下行和夾緊兩個(gè)不同方向上的動(dòng)作，有效的避免了結(jié)構(gòu)的冗余。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，零件部件少。由于沒有水平的液壓設(shè)備，該背鉗的重量大大降低，避免了鉆桿偏磨現(xiàn)象。同時(shí)也簡(jiǎn)化了整體液壓系統(tǒng)，降低了制造成本。背鉗的故障率降低，可靠性大大提高；

4、能夠自動(dòng)對(duì)中。寬大的導(dǎo)軌保證了背鉗主體處于水平位置。六棱柱牙塊8部件（如圖5所示）針對(duì)六種不同的管徑加工出不同的環(huán)形口，保證了對(duì)于不同管徑的鉆桿都有較好的適應(yīng)性，最大限度的保持面接觸。而且六棱柱的位置和角度能夠保證鉆桿加緊后與上部保護(hù)短接在一條中心線上，實(shí)現(xiàn)了鉆桿的自動(dòng)對(duì)中；

5、磨損較小，無損傷于鉆桿。左側(cè)的約束帶6c與鉆桿的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于牙塊和鉆桿之間的摩擦系數(shù)，與傳統(tǒng)的剛性?shī)A緊相比，達(dá)到相同的夾緊效果需要的夾緊力小，保護(hù)鉆桿接箍，延長(zhǎng)鉆桿使用壽命；

6、日常維護(hù)方便。工作結(jié)束后背鉗豎直方向活動(dòng)空間大，為更換牙塊、保護(hù)短節(jié)或IBOP提供了比較大的作業(yè)空間。只需拆除滾輪即可更換整個(gè)背鉗。背鉗豎直方向活動(dòng)空間大能夠免損傷鉆桿；

7、能夠靈活實(shí)現(xiàn)對(duì)不同的管徑的緊密夾持。本設(shè)計(jì)左側(cè)的夾緊部分有柔性約束帶，能夠針對(duì)不同管徑靈活調(diào)整兩個(gè)牙塊6d的間距，即自動(dòng)適應(yīng)不同的管徑。通過旋轉(zhuǎn)右側(cè)的六棱柱牙塊8，能夠與不同管徑產(chǎn)生針對(duì)性?shī)A緊；

8、豎直的彈簧具有減震和上下浮動(dòng)的功能。鉆桿上卸扣的過程中，由于彈簧5的彈性作用，背鉗在夾緊的鉆桿的前提下，還能夠靈活的提供一個(gè)豎直的浮動(dòng)空間，彌補(bǔ)螺距帶來的鉆桿和頂驅(qū)主轉(zhuǎn)軸的豎直方向的偏差；

9、液壓缸壽命更長(zhǎng)，冬季不易發(fā)生結(jié)凍現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)只具有一個(gè)豎直液壓缸，液壓油的密封性更好。在背鉗上卸扣工作過程中，不可避免的會(huì)有鉆井液，甚至是巖屑灑落到背鉗主體上，具有水平液壓缸的背鉗容易產(chǎn)生液壓缸磨損嚴(yán)重，夏季工作容易漏油，冬季工作時(shí)容易結(jié)凍；

10、背鉗導(dǎo)軌提供的抗扭轉(zhuǎn)作用力大，背鉗的寬度是鉆桿直徑的2~3倍，同時(shí)具有寬大的背鉗導(dǎo)軌，具有較好的扭轉(zhuǎn)作用性能。