专利名称：多柱塞钻机及操作方法
技术领域：
本发明涉及多柱塞钻机及操作这种钻机的方法。
背景技术：
典型的钻机包括支持钻头的塔，该钻头反过来使钻柱旋转。该钻头可以在塔上上下滑动，目的在于使钻子进出于孔。该钻头的运动由一个或多个液压活塞控制，使用的柱塞的尺寸取决于钻机的最大钻井深度。例如对于深度达800m的相对浅的孔，钻机可以包括各具有直径为120mm(大约5”)的两个柱塞。这种钻机可能需要提供大约400hp的电源组， 每天依次消耗960L的燃料。相比较而言，设计钻入深度达2000m的钻机可能包括直径各为 300mm(12")的两个柱塞，并需要2500hp电源组，每天所消耗的燃料大约为8400L。要钻更深的孔就需要更大的柱塞，原因在于为了确保该钻机可以适用所需要的向上的拉力，在钻柱的重量随着孔的深度的增加而增加时，可以控制由钻柱施加到钻锥上的有效重量。
发明内容
一个方面，本发明提供多柱塞钻机，包括钻塔；钻头，用于将扭矩施加到钻锥上，该钻头支持在钻塔上，并可沿着该钻塔做线性地运动；运行滑轮车，支持在该钻塔上用于沿着该钻塔做线性地运动，并被耦合到该钻头上。其中，在一个方向上向所述运行滑轮车施加的力被转化为相反方向的力作用到所述钻头上；以及多个柱塞，其耦合在所述塔和所述运行滑轮车之间，所述柱塞选择性地被驱动以便在任一个方向上沿着所述钻塔对称地将选择性地可变的力施加到所述运行滑轮车上，其中，所述选择性的可变的力由所述运行滑轮车转移到所述钻头，以便将向上的拉力和向下的拉力施加到被耦合到所述钻头上的钻锥上。在一个实施方式中，所述多个柱塞可以被驱动并被耦合到所述运行滑轮车上，以便每次一个地逐步地增加将力施加到所述运行滑轮车上的所述柱塞的数量。所述柱塞在一个端部被耦合到所述钻塔的上端部以及在相反端部被耦合到所述运行滑轮车上。所述运行滑轮车和所述钻头被安置在独立平行且并列排列的平面中。所述运行滑轮车提供有两套滑轮和两套绳缆，其中第一套所述绳缆在一个端部处被连接到所述钻塔的上端部，并绕所述第一套滑轮延伸且在相反的端部被耦合到所述钻头的上端部；以及第二套绳缆在一个端部处被连接到所述钻塔的下端部，并绕所述第二套滑轮延伸且在相反的端部被耦合到所述钻头的下端部。可以布置所述运行滑轮车和所述柱塞，以使当所述柱塞伸展时由所述柱塞所施加的力做为向上的拉力被传递到所述钻锥，以及当所述柱塞回缩时由所述柱塞所施加的力做为向下的拉力被传递到所述钻锥。运行滑轮车以一种方式被耦合到所述钻头上，其中在所述方式中，所述运行滑轮车以一种方式被耦合到所述钻头上，其中在所述方式中，对于由所述柱塞的回缩或延伸所引起的运行滑轮车的移动的第一距离是所述钻头的移动的距离的两倍。多柱塞钻机可以包括用于选择性地将所述柱塞耦合到所述运行滑轮车的耦合系统。在一个实施方式中，所述多个柱塞包括至少一个可操作的主柱塞，以便在沿着所述车的纵向中心线的位置处将力施加到所述运行滑轮车上。此外，所述多个柱塞包括单个主柱塞，以及偶数个辅柱塞，其中所述辅柱塞被成对地布置，每对中的所述柱塞对称地被安置在所述主柱塞的周围。在一可替换的实施方式中，所述多个柱塞包括两个连续操作的主柱塞，以便向钻锥提供向上的拉力和向下的拉力。在这个实施方式中，所述柱塞包括被对称地布置在所述主柱塞的周围或之间的奇数个辅柱塞，其中第一个所述辅柱塞位于所述主柱塞之间中部。多柱塞钻机可以包括电源组，该电源组可以提供大约400hp到500hp的最大输出功率，并且钻入的深度至少达到2000m。第二个方面，本发明提供了钻孔的方法，其包括提供钻塔；以一种方式可以向钻锥施加扭矩的钻头以及运行滑轮车支持在所述钻塔上，其中，使钻头和车可以沿着钻塔线性移动；将该车以一种方式耦合到钻头上，其中，所述车在一个方向上的移动引起所述钻头在相反方向上的的移动；选择性地驱动多个柱塞中的一个或多个，以便对称地逐步增加施加到所述运行滑轮车上的力。选择性地驱动一个或多个所述柱塞，以便每次一个地增加将力施加到所述运行滑轮车上的柱塞的数量。
现在通过参考以下的附图详细地描述本发明的具体实施方式
。图1是根据本发明的多柱塞钻机的第一实施方式的侧视图。图2是合并到钻机中的运行滑轮的示意图。图3是图3所示出的车的截面A-A的视图。图4是示出将柱塞耦合到钻机的车的部分的放大视图。图5是合并到钻机中的滑轮系统的柱塞的第一构造的前视图。图6是合并到钻机中的滑轮系统和柱塞的第二构造的前视图。图7是合并到钻机中的滑轮系统和柱塞的第三构造的前视图；以及图8是多柱塞钻机的第二实施方式的图示。
具体实施例方式本发明的一个实施方式提供了具有多个柱塞的钻机，该多个柱塞可以选择性地被驱动，以便逐步增加对钻头以及由该钻头转动的钻锥施加向上的拉力和向下的拉力的柱塞的数量，其中力是以平衡或对称的方式施加。例如，在一个实施方式中，钻机可以包括三个柱塞，这些柱塞可以向被耦合到钻头上的钻锥施加向上的拉力和向下的拉力。这些柱塞可以逐渐地被驱动，最初是一个柱塞被启动，然后是两个，接着是全部三个。布置该多个柱塞， 以使当它们逐步地被驱动时以平衡或对称的方式施加柱塞的力。这通过使用连接在柱塞和钻头之间的运行滑轮车来实现。该车和钻头以一种方式被耦合到一起，以使运行滑轮车在一个方向上的移动引起钻头在相反方向上发生移动。该柱塞可以被驱动和被耦合到运行滑轮车上，以便逐步地每次一个地增加向运行滑轮车施加力的柱塞的数量。由柱塞所施加的力是平衡的或对称的，以便均勻地沿着该车的运行的中心线或其周围施加合力，从而避免在该车上产生力矩或扭矩。在运行滑轮车和钻头之间的耦合有效地形成了持续的力的转移回路，其中，在一个方向上施加到运行滑轮车上的力被转移并以相反方向施加到钻头上。此外，钻头的重力被转移到运行滑轮车并接着转移到该柱塞上。运行滑轮车提供有第一和第二套滑轮，绕这些滑轮分别地延伸有电缆或绳缆。因为该柱塞的布置，施加到绕第一套滑轮延伸的各绳缆的载荷是相同的。类似地，施加到绕第二套滑轮延伸的各绳缆上的载荷是相同的。但是，除非各套滑轮存在有相同数量的绳缆，施加到绕第一滑轮延伸的绳缆上的载荷不同于绕第二滑轮延伸的绳缆上的载荷。图1描述了多柱塞钻机10的第一实施方式。该钻机10包括钻塔12和可以线性地在塔12上下运行的钻头14。该钻头14向与钻头14相连接的钻柱16提供扭矩，以及由此向被耦合到钻柱16的远端上的钻锥18提供扭矩。钻头14在包括多个柱塞22a、22b和 22c (接下来简称为“柱塞22”)的液压系统20作用下沿着塔12来回移动。柱塞22通过钻头14对钻锥18施加向上的拉力和向下的拉力。该液压系统20包括高压液压液体供应器 24,该供应器M自己本身可以是例如包括液压马达和液压油存储槽的组合，液压系统20还包括将该柱塞22耦合到供应器M上的液压阀门25和软管26。柱塞22可选择性地操作以便能选择性地变化施加到钻锥上的向上的拉力和向下的拉力。此外，还可选择性地操作该柱塞以便逐步地一个接着一个地增加可以对钻锥18施加向上的拉力和向下的拉力的柱塞的数量，并因此能逐步地钻更深的孔。因此，例如，当钻到第一深度的时候选择第一柱塞2 来运行；然后，当钻到第二更深的深度时选择柱塞22b 和22c来运行；最后，当钻到更深的第三深度时，选择所有的这三个柱塞22a、22b和22c来运行。通过滑轮系统观对钻头14/钻锥18施加向上的拉力和向下的拉力。滑轮系统观包括运行滑轮车30、顶滚轮32和底滚轮34。该顶滚轮32和底滚轮34绕着各自的轴旋转， 所述轴旋转被线性地固定在塔12的相对端部。滑轮车30选择性地被耦合到柱塞22上，并沿着导向结构(未示出)线性地沿该塔12运动。布置滑轮系统，以使由被耦合到车30上的液压柱塞22的延伸所产生的力做为对钻锥18的向上的拉力而被传递，而由柱塞22的回缩所产生的力做为对钻锥18的向下的拉力而被传递。特别地参考图2-4，运行滑轮车30包括两套滑轮42和44。第一套滑轮42包括被设置在滑轮车30的相对侧面且可以绕着公共轴线43旋转的滑轮4 和42b。滑轮4 和 42b分别设有槽Gal、Ga2和以及(Λ1、(Λ2和(Λ3。第二套滑轮44包括两个滑轮Ma和 44b，当钻塔处在垂直的位置时，其被定位在运行滑轮车30的每个侧边上的滑轮42的下方。安装滑轮44，使其可绕着平行于轴43的公共轴线45旋转。滑轮4 和44b设有各自的单个槽Ga4和Gb4。第一套绳缆Ral、Ra2、Ra3、Rbl、Rb2和Rb3 (以下简称为“第一绳缆R1-3”)绕滑轮 42延伸，并分别地坐落在槽&11、&12、&13、6131、6132和6匕3中。第二套绳缆Ra4和Rb4 (以下简称为“第二绳缆R4”)绕滑轮44延伸，并分别坐落在槽Ga4和(Λ4中。每个第一绳缆R1-3的一端被耦合到在该塔12的Ll处，Ll位于钻塔12的中间部位(请看图1)。然后该第一绳缆R1-3绕各滑轮42延伸，并在该处转而向上，并绕顶滚轮 32延伸，接着第一绳缆R1-3连接到钻头14的上部。每个第二绳缆R4的一端被连接到该钻塔的较低的区域L2上，其绕各滑轮44延伸，然后向下延伸并围绕位于较低区域L2下面的底滚轮34转向，然后向上延伸以便连接到钻头14上。显而易见的是，这样耦合的结果是运行滑轮车30的向下运动引起钻头14的相应的向上运动。而运行滑轮车30的向上运动将引起钻头14的向下运动。这样，在向下的方向上施加到车30上的力被转移并做为向上的力(向上的拉力)被施加到钻头14上，而施加到车30上的向上的力被转移并做为向下的力(向下的拉力)施加到钻头14上。车30和钻头14在相应各平面中线性地移动，该平面彼此相互平行且与钻塔12的长度方向平行，但是一个平面位于另外一个平面的后面。此外，柱塞22位于包括车30的相同的平面上。柱塞22具有相应的汽缸60和活塞62。各柱塞22，更具体地，各柱塞22相应的汽缸60在其一端被耦合到塔12的上端部。各柱塞22的活塞62选择性地通过耦合系统64 被耦合到车30上(请看图2-4)。耦合系统64包括可以选择性地移动以便接合和脱离各自的活塞62的多个锁钥匙66。各活塞62形成有直径减少的颈部68，该颈部68可以延伸到形成在车30中的相应的孔70中。在各孔中提供锁钥匙66，该锁钥匙66可以通过操作液压汽缸72侧向地移动，从而选择性地接合和脱离颈部68。不与车30相接合的柱塞22供应有控制压力，以便将相应的活塞62保持在回缩的状况。当需要使车30与柱塞22相接合以实施更大的向上的拉力和向下的拉力时，在液压系统中的液压阀25被打开，以便能使相应的活塞62可以从其汽缸60伸展到一个位置，在该位置车30中的相应孔70接收该颈部68，其中颈部68在该位置处通过锁钥匙66与车30 接合。运行锁钥匙66的汽缸72随后被驱动以将该锁钥匙移动到其接合颈部68的位置，从而将相应的柱塞接合到该车30上。将控制压力施加到汽缸72上，以便保持锁钥匙66在合适的位置。然后可以以正常的方式操作柱塞以便将力施加到车30上，该力转化为向上的拉力或向下的拉力施加到钻头14，从而施加到与该钻头相连的钻锥18上。图5-7描述如何选择性地操作柱塞22，以便逐渐地或选择性地使施加到钻锥18上的向上的拉力和向下的拉力发生变化。在这个实施方式中的钻机10包括三个柱塞22a、22b和22c。设想需要钻深度达例如2000m的孔，为了钻这一深度的孔，最初，第一液压柱塞2 通过液压系统20提供有高压液压流体。柱塞22a的活塞6 从其汽缸60a处延伸，最终其颈部68进入到车30中的相应的孔70中。汽缸72被驱动以便将锁钥匙66移动到一个位置，在该位置其接合颈部68 以便将柱塞2 耦合到该车30上。最初地，当正在钻孔时，只有柱塞2 对钻锥18施加所需要的向上的拉力和向下的拉力。由于由柱塞2 所施加的力是沿着车30的中心线，由柱塞2 所施加的合力以平衡或对称的方式作用在车30上。柱塞2 没有在车30上产生力矩和扭矩。随着孔的深度增加时，钻柱16的总重量也增加。所以，需要更大的向上的拉力来控制施加到钻锥18上的重量。因此，例如一旦孔的深度超过500m时，两个柱塞，即柱塞22b 和22c，以如先前所描述的与柱塞2 相同的方式被耦合到车30上；以及，柱塞2 通过回缩相应的锁钥匙66从车30处被解耦合。通过施加控制压力将活塞62a回缩，并保持在回缩的状态。现在，两个柱塞22b和22c对钻锥18实施向上的拉力和向下的拉力.这一关系在图6中被显示，其中，柱塞22b和22c的各活塞杆62b和62c分别被耦合到车30上。由于两个柱塞在与车30的中心线等距的点处在相同的方向提供相同的力，由柱塞22b和22c施加的合力以平衡的或对称的方式作用在车30上。这些柱塞没有在车30上产生力矩和扭矩。两个柱塞22b和22c可以对钻机10实施足够的向上的拉力和向下的拉力，使其继持续钻到进一步的深度例如IOOOm处。其后，选择所有的三个柱塞22a、22b和22c进行操作从而提供向上的拉力和向下的拉力，如图7所示。在该布置中，各柱塞22与液压马达M 被耦合在一起，各柱塞的活塞杆都耦合到车30上。再次地，所施加的合力是平衡的或对称的。各绳缆R1-3承载彼此相同的载荷，各绳缆R4也如此。然而，因为绳缆R1-3的数量(六个绳缆)与绳缆R4的数量(两个绳缆)不同，因此各绳缆R1-3所承载的载荷与各绳缆R4所承载的载荷不同。因此，总的来说，可以理解钻机的实施方式使得可以逐步驱动柱塞以控制或选择性地改变被施加到钻锥18上的向上的拉力和向下的拉力。当耦合到钻头上的柱塞的数量逐渐增加时，钻机和特别是液压系统能够操作该柱塞，并以对称或平衡的方式实施向上的拉力和向下的拉力。在图5-7所示出的实施方式中，柱塞22a，即中心柱塞，可以被认为是单个主柱塞。 在这该实施方式中，多个柱塞包括单个主柱塞和偶数个( 辅柱塞，即柱塞22b和22c。辅柱塞以围绕主柱塞22a的成双且对称形式布置。然而，本发明的实施方式并不限制于只包括三个柱塞或仅单个主柱塞的钻机。例如，图8描述了一种实施方式，其中，该液压系统包括五个柱塞22a-22e。在这个实施方式中，柱塞2 被视为单个主柱塞。柱塞22b和22c可以被视为形成第一对辅柱塞，以及柱塞22d和2 可以被视为第二对辅柱塞。以下表格示例了液压系统的一个可能的运作方案，其中柱塞22a-2&逐步地被切换和/或被操作，以便增加向上的拉力和向下的拉力。表 权利要求
1.一种多柱塞钻机，包括钻塔；钻头，用于将扭矩施加到钻锥上，所述钻头支持在所述钻塔上，并可沿着所述钻塔线性地运动；运行滑轮车，支持在所述钻塔上用于沿着所述钻塔线性地运动，并被耦合到所述钻头上，其中，在一个方向上向所述运行滑轮车施加的力被转化为相反方向的力作用到所述钻头上；以及多个柱塞，其耦合在所述塔和所述运行滑轮车之间，所述柱塞选择性地被驱动以便在任一个方向上沿着所述钻塔对称地将选择性地可变的力施加到所述运行滑轮车上，其中， 所述选择性的可变的力由所述运行滑轮车转移到所述钻头，以便将向上的拉力和向下的拉力施加到被耦合到所述钻头上的钻锥上。
2.根据权利要求1所述的多柱塞钻机，其中所述多个柱塞可以被驱动并被耦合到所述运行滑轮车上，以便每次一个地逐步地增加将力施加到所述运行滑轮车上的所述柱塞的数量。
3.根据权利要求1或2所述的多柱塞钻机，其中所述柱塞在一个端部被耦合到所述钻塔的上端部以及在相反端部被耦合到所述运行滑轮车上。
4.根据权利要求1 3中任一项所述的多柱塞钻机，其中所述运行滑轮车和所述钻头被安置在独立平行且并列排列的平面中。
5.根据权利要求1 4中任一项所述的多柱塞钻机，其中所述运行滑轮车提供有两套滑轮和两套绳缆，其中第一套所述绳缆在一个端部处被连接到所述钻塔的上端部，并绕所述第一套滑轮延伸且在相反的端部被耦合到所述钻头的上端部；以及第二套绳缆在一个端部处被连接到所述钻塔的下端部，并绕所述第二套滑轮延伸且在相反的端部被耦合到所述钻头的下端部。
6.根据权利要求1 5中任一项所述的多柱塞钻机，其中布置所述运行滑轮车和所述柱塞，以使当所述柱塞伸展时由所述柱塞所施加的力做为向上的拉力被传递到所述钻锥， 以及当所述柱塞回缩时由所述柱塞所施加的力做为向下的拉力被传递到所述钻锥。
7.根据权利要求1 6中任一项所述的多柱塞钻机，其中所述运行滑轮车以一种方式被耦合到所述钻头上，其中在所述方式中，对于由所述柱塞的回缩或延伸所引起的运行滑轮车的移动的第一距离是所述钻头的移动的距离的两倍。
8.根据权利要求1 7中任一项所述的多柱塞钻机包括用于选择性地将所述柱塞耦合到所述运行滑轮车的耦合系统。
9.根据权利要求1 8中任一项所述的多柱塞钻机，其中所述多个柱塞包括至少一个可操作的主柱塞，以便在沿着所述车的纵向中心线的位置处将力施加到所述运行滑轮车上。
10.根据权利要求9所述的多柱塞钻机，其中所述多个柱塞包括单个主柱塞，以及偶数个辅柱塞，其中所述辅柱塞被成对地布置，每对中的所述柱塞对称地被安置在所述主柱塞的周围。
11.根据权利要求1 8中任一项所述的多柱塞钻机，其中所述多个柱塞包括两个连续操作的主柱塞，以便向钻锥提供向上的拉力和向下的拉力。
12.根据权利要求11所述的多柱塞钻机，其中所述柱塞包括被对称地布置在所述主柱塞的周围或之间的奇数个辅柱塞，其中第一个所述辅柱塞位于所述主柱塞之间中部。
13.根据权利要求1 12中任一项所述的多柱塞钻机，包括电源组，所述电源组提供大约400hp到500hp的最大功率输出，且钻入的深度至少达1000m。
14.一种钻孔的方法，包括提供钻塔；以一种方式将可以施加扭矩到钻锥的钻头以及运行滑轮车支持在所述钻塔上，其中使所述钻头和所述车可以沿着所述钻塔线性地移动；以一种方式将所述车耦合到所述钻头上，其中所述车在一个方向上的移动引起所述钻头在相反方向上的的移动；选择性地驱动多个柱塞中的一个或多个，以便对称地逐步增加施加到所述运行滑轮车上的力。
15.根据权利要求14所述的方法，其中选择性地驱动一个或多个所述柱塞，以便每次一个地增加将力施加到所述运行滑轮车上的柱塞的数量。
全文摘要
一种钻机(10)，包括塔(12)以及可以线性地上下地在塔(12)上运行的钻头(14)。该钻头(14)向连接到该钻头(14)的钻柱(16)提供扭矩，并因此向耦合到钻柱(16)远端的钻锥(18)提供扭矩。该钻头(14)通过多个柱塞(22a、22b)和(22c)(以下简称为“柱塞22”)沿着塔12来回移动，该柱塞(22)通过钻头(14)向钻锥(18)提供向上的拉力和向下的拉力。柱塞(22)可选择性地操作以使施加到钻锥上的向上的拉力和向下的拉力可以选择性地变化。例如，当钻第一深度时选择第一柱塞(22a)进行操作；当钻第二更深的深度时，则选择柱塞(22b)和(22c)进行操作；当钻第三更深的深度时，最后选择所有的全部三个柱塞(22a、22b)和(22c)进行操作。
文档编号E21B19/086GK102428246SQ201080020835
公开日2012年4月25日 申请日期2010年3月19日 优先权日2009年3月20日
发明者沃伦·斯特兰奇 申请人:西澳洲斯特兰奇投资私人有限公司