用于吸收扭矩的扭矩吸收器以及包括所述扭矩吸收器的设备

摘要

本申请描述了一种扭矩吸收器，用于吸收当将管状元件螺拧在一起时产生的旋转扭矩，该扭矩吸收器包括至少一个汽缸和可移动地设置在汽缸内的至少一个活塞。该至少一个汽缸在汽缸的纵向方向上弯曲，该至少一个活塞具有相应的弯曲形状，使得该至少一个活塞能移动进出该至少一个汽缸。本申请还描述了一种设备，该设备包括用于吸收当将管状元件螺拧在一起时在该设备中的两个部分之间产生的旋转扭矩的一个或多个扭矩吸收器。

说明书

本发明涉及一种用于吸收将管状元件螺拧在一起期间产生的旋转扭矩的扭矩吸收器，以及用于将管状元件拧在一起的包括至少一个这种扭矩吸收器的设备。

在钻探烃井(hydrocarbon well，油气井)时，必须将待运行入井内的不同元件螺拧在一起并使其彼此松开。螺拧在一起或彼此松开的管状元件可能是一个问题，例如在钻井期间拧到管柱上或从管柱上松开的管状元件，或待运行入井内的拧到管柱上的其它元件。该螺拧在一起借助机器进行，机器夹紧两个待拧在一起的元件并将其拧在一起或使其彼此松开。将元件拧在一起时出现的问题是，例如在将管状元件拧到管柱上时，当将管状元件完全拧到管柱上时，即到达了螺纹部分的“底部”，而减小来自使管状元件旋转的驱动单元的扭矩仍需要一些时间时，螺纹连接可遭损坏。在减小来自驱动单元的旋转扭矩所需的时间期间，存在螺纹连接将被损坏或最糟糕的是被损毁的风险。

因此，本发明的总体目的是提供一种能够吸收当将一个元件拧到另一个元件上时产生的旋转扭矩的解决方案。

本发明的另一个目的是提供一种当两个元件自动拧在一起时防止螺纹连接损坏的解决方案。

进一步的目的是当将元件拧到管状元件或管柱上时(例如拧到管柱上的管状元件)，防止损坏螺纹。

这些目的通过如独立权利要求1限定的扭矩吸收器和如独立权利要求8限定的设备，以及如权利要求21和22限定的扭矩吸收器和设备的使用实现。从属权利要求2-7和9-20限定了本发明的附加实施方式。

扭矩吸收器包括至少一个汽缸，该至少一个汽缸的形状在纵向方向上为圆形，且其中汽缸的长度优选延伸180度曲线或更少。该至少一个汽缸内设有活塞，活塞略微长于汽缸，使得当将活塞一直推入汽缸内时，活塞将从汽缸的相对端伸出。因此，汽缸能紧固至装置或设备的第一部分，而活塞能紧固至装置或设备的第二部分，第一部分和第二部分可绕给定旋转轴线相对于彼此旋转。弯曲扭矩吸收器的中心与旋转轴线重合，因此扭矩吸收器能够绕旋转轴线吸收第一部分与第二部分之间产生的旋转扭矩。在汽缸内提供了流体，该流体能流出和流入汽缸，使得当第一部分与第二部分之间产生另一旋转扭矩时能保持吸收效果。

可在将不同元件螺拧在一起的设备内设置一个或多个这种扭矩吸收器，以减小当将元件上的螺纹部分拧在一起直至到达其底部时产生的撞击或旋转扭矩的影响，以便防止螺纹部分上的螺纹被损坏或损毁。

提供了扭矩吸收器以吸收将管状元件拧在一起时产生的旋转扭矩，扭矩吸收器包括至少一个汽缸和可移动地设置在汽缸内的至少一个活塞。该至少一个汽缸在汽缸的纵向方向上弯曲，该至少一个活塞具有相应的弯曲形状，使得该至少一个活塞能移动进出该至少一个汽缸。

该至少一个汽缸和设置在该至少一个汽缸内的活塞优选具有恒定曲率，即该至少一个汽缸和活塞具有圆形弯曲形式。还可设想该至少一个汽缸可具有变化曲率。在那种情况下，活塞优选由柔性材料制成，当活塞在汽缸内来回移动时，该柔性材料的形状发生变化或其形状可适应该至少一个汽缸的形状。另一种替代方案是将活塞构造成具有多个相对较短的部分，该多个相对较短部分通过万向接头等连接，万向接头等允许联接的部分相对于彼此旋转。

该至少一个汽缸的纵向方向应理解为穿过该至少一个汽缸的中心轴线的弯曲方向。类似地，活塞在汽缸中的纵向方向应理解为穿过活塞的中心轴线的弯曲方向。当活塞设置在该至少一个汽缸内时，该至少一个汽缸的中心轴线与活塞的中心轴线将必然基本重合。

活塞的纵向范围优选至少与汽缸的纵向范围一样大，但也可小于汽缸的纵向范围。一般说来，理想的是能够将活塞一直推入该至少一个汽缸内，而活塞的相对端的足够大的部分从该至少一个汽缸伸出，使得活塞能紧固至外部部分。

与纵向方向成直角的活塞截面的几何形状优选与垂直于纵向方向的汽缸截面的几何形状相同，且优选与纵向方向的活塞截面和垂直于纵向方向的汽缸截面均为圆形。替代地，该至少一个汽缸和活塞可例如具有椭圆形形状。活塞在纵向方向上的截面形状优选基本恒定。活塞的一个或两个端部部分的形状可不同于活塞剩余部分的形状，例如一个或两个端部部分的直径可略微小于活塞剩余部分的直径。活塞与汽缸之间在纵向方向上优选设有流体间隙以使得在该至少一个汽缸内进行最大无摩擦移动。

该至少一个弯曲汽缸的长度优选使得汽缸为半圆形形式，即该至少一个弯曲汽缸延伸180度。如果不需要180度汽缸将提供的整个行程长度，则该至少一个弯曲汽缸当然还可以小于180度。活塞的长度优选长于汽缸，以便可利用汽缸的整个长度，而活塞的从汽缸伸出的端部能紧固至扭矩吸收器作为其一部分的装置的外部部分。

活塞的端部包括内端部分，该内端部分位于该至少一个汽缸内。端部部分优选构造有在纵向方向上从活塞的端面延伸入活塞内的主管道，和至少一个径向管道，该至少一个径向管道在主管道与活塞的侧面之间延伸以允许流体流动通过主管道和该至少一个径向管道。

该至少一个汽缸具有第一端部部分，该第一端部部分优选设有第一端盖。第一端盖上优选设有端盖贯通管道，以允许流体流入和流出该至少一个汽缸。第一端盖优选适于流体连接至流体箱，以便流体能在流体箱与汽缸之间来回流动。端盖管道以及部分主管道和该至少一个径向管道的尺寸确定给定流体能多快地流入和流出该至少一个汽缸，从而确定扭矩吸收器的吸收效果有多好。为了能够调节扭矩吸收器的吸收效果，可在这些管道内(优选在端盖管道内)设置一个或多个可调节阀来调节流体流入和流出该至少一个汽缸。

该至少一个汽缸还包括第二端部部分，活塞在该第二端部部分移动进出汽缸。第二端部部分优选设有一个或多个垫圈和/或密封装置来防止流体(其处于活塞且汽缸之间的间隙内)流出汽缸。该至少一个汽缸的第二端部部分进一步优选作为围绕活塞的第二环形端盖。第二端盖可有利地设有在活塞与第二端盖之间进行密封的垫圈。

还设置了用于将管状元件拧在一起的设备，该设备包括可绕旋转轴线相对于彼此旋转的第一部分和第二部分。设备包括至少一个如上所述的扭矩吸收器，用于吸收在将管状元件拧在一起期间第一部分与第二部分之间产生的旋转扭矩。

在本发明的一个实施方式中，第一部分和第二部分均能可旋转地支撑在设备内。在本发明的其它实施方式中，仅第一部分或仅第二部分可旋转地支撑在设备内。

扭矩吸收器的该至少一个汽缸可紧固至第一部分，而扭矩吸收器活塞可紧固至第二部分。替代地，当然，扭矩吸收器的该至少一个汽缸可紧固至第二部分，而扭矩吸收器活塞可紧固至第一部分。

如果该至少一个汽缸紧固至第一部分，则第一部分优选包括用于支撑该至少一个汽缸的支撑装置。该支撑装置优选为柱形支架，其具有与该至少一个汽缸的弯曲形状对应的弯曲形状，并沿着该至少一个汽缸的整体或至少一部分延伸，使得当将活塞推入汽缸内时产生的力分配在支撑装置内较大的表面上。该至少一个汽缸内的活塞优选紧固至设备的第二部分，使得至少一个扭矩吸收器能吸收第一部分与第二部分之间产生的旋转扭矩。

设备优选包括用于使第一部分旋转的驱动单元。驱动单元可例如构造有驱动一个或多个齿轮的电机，该一个或多个齿轮经由更多齿轮直接或间接地与设置在第一部分上的齿条啮合。替代地，第一部分可由电动、液压或气动马达直接驱动，或通过能够使第一部分旋转的另一合适的驱动单元驱动。

优选地，设备的第二部分还包括用于夹紧并保持第一元件的第一夹紧装置。第一夹紧装置的构造当然取决于第一元件如何构造。然而，一旦知道了第一元件的构造，本领域的技术人员将能够设计出合适的夹紧装置或使用现有的夹紧装置。例如，第一夹紧装置可以是适于夹紧并保持管或具有相似柱形形状的工具的夹钳，但如果第一元件的形状要求使用其它夹紧装置，则可使用其它夹紧装置。

设备优选还包括用于夹紧并保持第二元件的第二夹紧装置。第二夹紧装置的构造当然取决于第二元件如何成形。同样，一旦知道了第二元件的形状，本领域的技术人员将能够设计出合适的夹紧装置或使用现有的夹紧装置。例如，第二夹紧装置可以是适于夹紧并保持管或具有相似柱形形状的工具的夹钳。当然，如果第二元件的形状要求使用其它夹紧装置，则可使用其它夹紧装置。

第一夹紧装置或第二夹紧装置，或有可能第一夹紧装置和第二夹紧装置二者优选可旋转地设置在设备内。因此，通过在第二夹紧装置保持静止不旋转的同时允许第一夹紧装置旋转，或替代地通过允许第一夹紧装置和第二夹紧装置以不同的旋转速度旋转，可以在由第一夹紧装置保持的第一元件与由第二夹紧装置保持的第二元件之间获得相对转动。

在本发明的实施方式中，第一夹紧装置优选是设备的第二部分的一部分，且因此如上所述般可旋转地设置，使得由第一夹紧装置保持的第一元件能绕旋转轴线旋转。替代方案还可以是第一夹紧装置由单独的驱动单元驱动，如果需要如此的话。这种驱动单元的构造方式可与第一驱动单元和第二驱动单元相同。在本发明的该实施方式中，第二夹紧装置优选不可旋转地设置在设备内。当第一部分旋转时，扭矩吸收器将推动第二部分，第二部分因此也会旋转。第一夹紧装置和由第一夹紧装置保持的第一元件然后也将旋转。

如上所述，如果需要，第二夹紧装置也能可旋转地设置在设备内，并因此由构造方式与上述其它驱动单元相同的驱动单元驱动旋转。

在一个实施方式中，设备适于将第一元件和第二元件上的相应螺纹部分拧在一起。例如，第一元件和第二元件可以是管状元件。替代地，第一元件可以是拧到第二元件上的工具(例如，井下工具)，其可以是管状元件，或另一种工具，例如另一种井下工具。

为了使该至少一个扭矩吸收器能够将旋转扭矩从第一部分传递至第二部分而不会使活塞被推入汽缸，优选将汽缸内的流体的压力调节成使得该压力超过使第一元件旋转并将第一元件和由第二夹紧装置保持的第二元件拧在一起所必需的力。当第一元件和第二元件被完全拧在一起时，在到达第一元件和第二元件上的螺纹部分的底部时，会发生撞击。当发生撞击时，产生的旋转扭矩迅速超过该至少一个扭矩吸收器的汽缸内的流体的压力，活塞被推入汽缸内且旋转扭矩被吸收，使得第一元件和/或第二元件上的螺纹部分被损坏或损毁的可能性减至最低。在活塞被推入汽缸内所需时间期间，来自使第一部分旋转的驱动单元的驱动力减小且优选完全停止，从而拧在一起的第一元件和第二元件上的螺纹部分被损坏。因此，可将汽缸内的压力值调节成使得利用所需的力能使螺纹连接张紧的值。

设备优选设有至少两个扭矩吸收器，该至少两个扭矩吸收器的位置绕旋转轴线在周向方向上相对于彼此偏移，以在吸收设备的第一部分与第二部分之间产生的旋转扭矩时实现负载更佳地分布。在设备的一个实施方式中，设备设有两个扭矩吸收器，其中两个扭矩吸收器的其中之一的位置在周向方向上相对于另一个扭矩吸收器偏移180度。如果所需吸收的扭矩超过两个扭矩吸收器可提供的吸收能力，则可使用三个扭矩吸收器，这三个扭矩吸收器优选绕旋转轴线在周向方向上相对于彼此偏移120度或更多。扭矩吸收器可在旋转轴线的轴向方向上彼此倚靠，或如果需要，可间隔设置在旋转轴线的轴向方向上。

上述扭矩吸收器和设备的一种用途是吸收当将管状元件拧在一起时产生的旋转扭矩。另一种用途是将工具和管状元件拧在一起或将两种不同工具拧在一起。上述扭矩吸收器和设备在钻井或烃井生产期间特别有用，在此期间需要将管状元件拧到管柱上且有可能需要将井下工具拧到管柱上。

根据以下参考附图对本发明的优选非限制性实施方式进行的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中：

图1是根据本发明的扭矩吸收器在其圆弧状纵向方向上的平面中的截面图，且其中活塞已被抽拉至外部并进入其外部位置，在该外部位置处大部分活塞已被抽拉至汽缸外部。

图2示出了图1中的扭矩吸收器的视图。

图3示出了与图1相同的扭矩吸收器，但活塞被一直推入汽缸内。

图4是图3中的指示的A部分的放大视图。

图5是图3中的指示的B部分的放大视图。

图6示出了根据本发明的包括两个扭矩吸收器的设备。

图1至图5示出了根据本发明的扭矩吸收器10。扭矩吸收器包括汽缸12和活塞16，活塞设置在汽缸12内并可在汽缸内往复移动。汽缸具有第二端部部分14和位于汽缸最里面的第一端部部分13，活塞在第二端部部分处进入汽缸。活塞16具有位于汽缸内的第一端部部分17和位于活塞的相对端的第二端部部分18。在图1至图2中，示出了扭矩吸收器10的活塞被一直抽拉至汽缸12外部，而在图3至图5中，示出了扭矩吸收器10的活塞16被一直推入汽缸12内。

如图中清楚所示，汽缸12具有弯曲形状，优选为圆形。汽缸的纵向方向由汽缸的中心轴线T指示，该中心轴线具有与汽缸本身相同的圆形弯曲形状。活塞16具有相应的圆形弯曲形状，使得其能在汽缸内往复移动。如附图所指示，汽缸横跨约180度的弧度L，即汽缸基本上为半圆形形式。活塞16优选略微长于汽缸12，使得当活塞被一直推入汽缸内时，活塞的第二端部部分18仍从汽缸伸出。如果所需行程长度较小，则汽缸可具有小于180度(例如，90度)的曲线。

图4示出了图3中的区段A，其中汽缸12的第一端部部分13和活塞16的第一端部部分17清晰可见。活塞的第一端部部分17具有位于活塞前部的端面21和面向缸壁24的侧面23。活塞16包括从端面21部分延伸入活塞16内的至少一个主管道20和至少一个径向管道22(但优选为多个径向管道22)，该至少一个径向管道连接主管道20和活塞的侧面23以允许流体流动通过主管道和径向管道以将流体分配在活塞周围并确保活塞的侧面23与缸壁24之间的间隙25充满流体。

汽缸12的第一端部部分13进一步设有第一端盖28。第一端部部分13和第一端盖28优选设有相应螺纹部分，使得第一端盖28能螺拧到汽缸的第一端部部分13上，如图中所示。

第一端盖28进一步设有供流体流动通过的端盖贯通管道29。为了控制流体流动，可在端盖管道29内设置阀装置30。

第一端盖28进一步优选适于使得管、软管或相似机构能连接至端盖管道29和流体箱，以便当活塞16被推入汽缸内时允许汽缸12内的流体被泵送入流体箱。当活塞16被抽拉至汽缸12外部时，流体将再次被抽吸回汽缸内。可不使用管、软管等将端盖管道29连接至流体箱，而是替代地允许流体箱围绕汽缸的第一端部部分13，使得第一端部部分13(且因此端盖管道29)浸入流体箱内的流体中。流体优选为液压油或具有润滑性的其它合适流体。

为了防止汽缸16内的流体流出汽缸，优选在活塞的第一端部部分17上设置密封机构或垫圈26，该密封机构或垫圈26进行密封防止流体在活塞的端部部分17与缸壁24之间流动。

图5是图3中的B区段的放大视图。该图示出了汽缸12的第二端部部分14以及活塞16的一部分。活塞16延伸至汽缸12外部，且为了防止活塞16与缸壁24之间的间隙25内的流体流出汽缸，第二端部部分14设有第二端盖32。第二端盖32构造成具有用于活塞12的贯通开口。第二端盖32和汽缸的第二端部部分14优选设有相应的螺纹部分，以便第二端盖32能拧到第二端部部分14上。第二端盖32与活塞16之间设置有垫圈33以进行密封防止流体流动。为了进行额外密封，可在汽缸12与活塞16之间设置所需数量的密封件34，如图5所示。

活塞12的第二端部部分18和汽缸优选设有相应的紧固装置(图中未示出)，以便其能紧固至装置或紧固至装置的相对于彼此旋转的两部分，且因此能够吸收可能发生的任何旋转扭矩或撞击。这种紧固装置可以是一个或多个螺栓或其它合适的紧固件。

图6示出了包括两个如上所述的扭矩吸收器的设备36。设备包括第一部分37和第二部分38，第一部分和第二部分绕贯穿设备的轴线V可旋转地设置。

如图6所示，第一部分37包括至少一个柱形部分48、多个连接元件49(例如，四个连接元件，如图6所示)和一个或多个支撑装置40，所有部分均通过合适的紧固机构(例如通过螺栓或通过焊接)固定连接至彼此。

设备包括使第一部分37旋转的驱动单元45，如图6示意性地所图示。驱动单元45可以是不同类型，如在本申请的概要部分中解释的那样，例如可以是电机，其经由机械传动装置(例如，一个或多个齿轮且可能是齿条)使第一部分37旋转。用于使第一部分37旋转的驱动单元也可以是液压或气动系统或能够使第一部分37旋转的另一种装置。

第一部分37优选包括两个上述扭矩吸收器10。两个扭矩吸收器沿着旋转轴线V在轴向方向上设置成一个在另一个上方，并围绕旋转轴线V在周向方向上相对于彼此偏移180度，以当旋转扭矩被两个扭矩吸收器10吸收时，围绕旋转轴线获得更均匀的负载。还应注意，设备还可以设置多于两个扭矩吸收器10，例如围绕旋转轴线V在周向方向上相对于彼此偏移90度的四个扭矩吸收器。

如上所述，第一部分37包括至少一个支撑装置40，该至少一个支撑装置围绕旋转轴线V延伸360度且扭矩吸收器10和汽缸12支撑在该支撑装置上。替代地，第一部分37设有用于每一个汽缸的支撑装置40，且因此优选具有与支撑在每一个支撑装置40上的汽缸基本相同的长度。汽缸12可通过螺栓或其它合适的紧固件紧固至支撑装置40。支撑单元40具有支架的形式且将与第一部分37的其余部分一起旋转。

当驱动单元45对柱形部分48施加旋转扭矩时，整个第一部分37(包括扭矩吸收器的汽缸12安装在其上的支撑单元40因此旋转。因此，汽缸12可看作是第一部分37的一部分。

第二部分38包括彼此紧固的支撑元件50和壳体41。支撑元件50支撑在柱形部分48上且可相对于柱形部分48旋转，使得第二部分38既可相对于第一部分37又可相对于设备36的其余部分旋转。第二部分还包括第一夹紧装置42，第一夹紧装置设置在壳体41内并适于夹紧并保持第一元件(图中未示出)，例如管状元件、底部钻具组合(BHA)或井下工具。

扭矩吸收器活塞16的第二端部部分18优选通过螺栓或其它合适的紧固机构(图中未示出)紧固至设备的第二部分38。因此，活塞16可看作是第二部分38的一部分。因此，第一部分37和第二部分38通过扭矩吸收器10连接。

设备36还包括第二夹紧装置43，第二夹紧装置优选适于夹紧并保持管状元件或管柱，或有可能是底部钻具组合或井下工具(图中未示出)。第二夹紧装置43可以(但不一定)可旋转地设置在设备36内。

当第一部分37通过驱动单元45旋转时，相同的旋转运动将传递至扭矩吸收器的汽缸12。通过将扭矩吸收器10内的流体压力调节成使得将扭矩吸收器的活塞16推入相应汽缸12内所需的力大于将由第一夹紧装置42保持的第一元件拧到由第二夹紧装置43保持的第二元件上所需的力，第二部分38将与第一部分37一起旋转，而活塞16不会被推入汽缸12内。进一步地，优选将汽缸12内的流体的压力调节成使得当将由第一夹紧装置42保持的第一元件一直拧到由第二夹紧装置43保持的第二元件上产生旋转扭矩(撞击形式)时，活塞16屈服并被推入其各自的汽缸12内，因此旋转扭矩到扭矩吸收器或吸收器10吸收。因此，优选将汽缸12内的流体的压力调节成使得该压力足够大以允许将第一元件拧到第二元件上，但小于临界压力值。临界压力值必须低于当产生旋转扭矩时会发产生损坏第一元件和/或第二元件的螺纹部分的风险的值。除了汽缸12内的压力必需处于所述两个值之间之外，优选将压力调节成使得利用所需的力便可使拧在一起的元件的螺纹部分张紧，其中所述两个压力值的效果是当将原件拧在一起时活塞不会被推入汽缸内，且同时活塞在当螺纹部分被完全拧在一起而被损毁之前屈服。

为了能够调节汽缸12内的流体的压力，设备36优选设有：液压系统，其至少包括记录流体压力的一个或多个压力传感器；能够将流体的压力增大至理想水平的泵装置；以及可受控减小流体的压力的一个或多个阀装置。这将是技术上显而易见的液压设计，因此此处不再更详细地进行描述。

以上已参考非限制性实例描述了本发明。然而，本领域的技术人员将理解，在权利要求限定的本发明的范围内可对本发明进行修改和变化，如以上所解释且如附图中所图示。例如，汽缸12和活塞16在设备36内的位置可交换，使得汽缸12支撑在第二部分38内，而活塞以合适方式紧固至第一部分37。还应注意到，上述实例描述了适于将两个管状元件或管状元件和井下工具或有可能两个井下工具形式的两个元件拧在一起的设备36，其中设备的扭矩吸收器10适于吸收两个元件被完全拧在一起时产生的旋转扭矩。然而，很明显，上述扭矩吸收器10可用于可理想地吸收旋转扭矩的其它类型的装置和设备。