半自动钻杆处理设备和方法与流程

本发明通常涉及一种钻杆处理设备和方法，更具体地，涉及一种用于钻机类型的半自动钻杆处理设备和方法，该钻机为包括主绞盘和带有适配器的牵引插塞(haulplug)，该牵引插塞用于组装或拆卸钻柱，以及在钻杆堆垛平台(或类似的地方)和钻机之间运载钻杆。

本发明还涉及一种手持式牵引插塞旋转器(haulplugspinner)与牵引插塞的结合件，该结合件可在这种半自动钻杆处理设备上使用。

本发明也涉及一种钻杆处理系统，该系统包括所论述的钻杆处理设备，以及手持式牵引插塞旋转器与牵引插塞的结合件。

背景技术：

岩石钻探工艺中，例如金刚石钻研，钻头安装在钻柱底部，该钻柱由部分钻杆或部分通过螺纹连接结合的管子组成。钻机通常配备有桅杆以支撑和引导用于钻孔的工具，当钻机运行时，桅杆确定钻柱中心线。钻机进一步配备有上下移动钻柱所用的牵制/进给系统和旋转单元，该旋转单元通常包括连接到该进给系统的头顶驱动装置，或夹头驱动装置。

岩石钻探的主要操作是处理钻柱杆，即在桅杆和杆堆垛架之间的输送柱杆、处理水平平台或某种类型的货栈，以及从钻柱添加或移除钻杆(这种操作通常被称为“解扣”)，在此，钻柱一次一节地在钻机的桅杆中组装/拆卸。这些都是劳动密集型操作，且非常容易发生人工事故。

钻杆具有螺纹销端(或阳端)和相反的螺纹箱形端(threadedboxend)(或阴端)，且钻杆常常从该螺纹箱形端处抬升。钻杆一般以纵向多层布置的方式被堆垛在平台上，其中钻杆的螺纹箱形端对准靠近钻机(即面向钻机)的平台端。

在金刚石钻研中，紧固在绞缆端的牵引插塞和主绞盘通常用于在钻探操作期间组装和拆卸钻杆，并将这些钻杆单独地从它们的堆垛位置运载到桅杆，反之亦然。牵引插塞为实心金属圆柱形元件，其一端具有连接起吊缆的装置，比如吊环或凸耳，而相对的另一端(通过阴螺纹端)用于可释放地连接各种适配器，这取决于这些杆的直径。适配器通常依次为圆柱形金属元件，具有用于分别拧入钻杆的螺纹箱形端和牵引插塞的螺纹端。尽管在组装和拆卸钻柱时也用到了诸如钻杆旋转器之类的钻杆机械装置，但通常情况下仍是通过手动将牵引插塞拧紧在钻杆上或从钻杆上拧出牵引插塞。

钻杆是非常重的元件，并且它们的端部是锋利的，所以需要使用特别的技术来防止操作者在处理这些杆时受伤。为避免在堆垛位置和桅杆之间单独运载这些杆时的人力操作，机械旋转夹臂被开发以用于夹紧和移动钻杆。然而，这些自动的杆处理设备由复杂的机构构成，且它们中的许多并非独立的单元，而是由钻机特别适配或集成的，这需要对这些待安装的机构进行大量的改进。另外，它们中的许多明显比上面描述的手动装置更慢，因为它们之中几乎没有充分地利用适配器提供的牵引插塞和主绞盘的速度和简单性，所以它们几乎很少被使用到。

发明目的

本发明的目的在于提供一种半自动钻杆处理设备，其中上面提到的问题已列出，并且半自动钻杆处理设备至少部分地解决了上面提到的问题。

在此方面，本发明的第一目的在于提供一种半自动钻杆处理设备，以适用于与具有主绞盘和牵引插塞的钻机一起使用，其用于垂直地组装和拆卸钻柱并在桅杆上抬升或降低钻杆，其中该设备的运行简单、安全、快速且经济，而且装配也简单经济。

此外，本发明的设备最好还可以作为独立的(即，无所依附的或者独立自治的)单元进行运输和安装，而不需要对钻机进行任何的改装。需要注意的是，尽管该设备也能够安装在任何与钻杆起重平台足够相邻的结构上，但是该设备最好可以安装在钻杆起重平台上。

此外，本发明的目的在于，半自动钻杆处理装置能够同时与头顶驱动的钻机和夹头驱动的钻机两者一起使用，并且良好地适于在倾斜孔以及垂直孔两者中的解扣操作。

本发明的另一目的在于提供一种手持式牵引插塞旋转器与牵引插塞的结合件，通过该结合件消除了在钻杆上拧紧牵引插塞或从钻杆上拧下牵引插塞的手工操作，尤其是当在桅杆上抬升或降低钻杆的时候，以及特别是用于与诸如上面提到的半自动钻杆处理设备一起使用的情况，另外在没有自动机械设备可用时钻柱的组装/拆卸的情况下，通过该结合件消除了在钻杆上拧紧牵引插塞或从钻杆上拧下牵引插塞的手工操作；这使得这个方法能够以最少的人力安全且连续地将牵引插塞紧固到钻杆上。

本发明另外的目的在于提供一种钻杆处理系统，该系统包括上面提到的半自动钻杆处理设备以及上面提到的手持式牵引插塞旋转器与牵引插塞结合件。

本发明最后一个目的在于提供一种钻杆处理方法，该方法可以简单、轻易、安全又经济地以半自动的形式从钻机桅杆上起升和降低钻杆，该钻机类型包括主绞盘和牵引插塞，该牵引插塞用于上述的这些操作并用于垂直地组装和拆卸钻柱。

技术实现要素：

如已经提到的，本发明的半自动钻杆处理设备适用于与具有主绞盘和带有适配器的牵引插塞类型的钻机一起使用，其中牵引插塞用于组装和拆卸钻柱并在钻机和钻柱堆垛平台之间运载钻杆。通常，钻机具有确定钻柱中心线的桅杆，而该平台位于钻机旁边，其中钻机具有相对于钻机的近端和相对于钻机的远端。

该半自动钻杆处理设备包括以下主要元件：

伸长构架，该伸长构架基本平行于该平台的纵向轴线地安装在横向高架水平梁上，该横向高架水平梁位于该平台近端的上方且在该平台纵向轴线的一侧，其中该伸长构架在该高架水平梁上的位置是可以轴向地和横向地调整的，且在垂直于高架水平梁垂直面内的角度也可以调节；以及

钻杆绞缆导向装置，该钻杆绞缆导向装置沿着该伸长构架是可以纵向移动的，与主绞盘和拧紧在钻杆箱形端的牵引插塞协同，以在钻机和平台之间辅助运载钻杆。

其中提供了一种基本矩形的起重平台，包括每个边角的起重顶杆，该起重平台位于钻机旁边，其中钻机具有相对于钻机的第一端或近端，和相对于钻机的第二端或远端，优选地，高架水平梁被安装成从位于该平台第一端的起重顶杆中的一个起重顶杆所伸出的悬臂。可选地，高架梁可以被支撑在与该平台的一侧相邻并与该平台近端相靠近(或基本处于该平台的近端处)的独立竖直杆或柱结构上。

为了在高架梁的轴向方向上调节伸长构架的位置，该设备可以并入这些装置以在所述轴向方向上移动伸长构架，并在其抵达期望位置时，将其锁在高架水平梁地位置处。可选地，伸长构架可以被牢固地耦合到高架水平梁、起重顶杆、或独立结构牢固，这取决于高架水平梁由哪个元件支撑，伸长构架可以包括在所述方向上移动并在伸长构架抵达期望位置时于适当位置将其锁住的装置，以使半自动钻杆处理设备按照设计进行运行。

有利地，钻杆绞缆导向装置包括开槽行进滚轮，该开槽行进滚轮沿着该设备的伸长构架是可移动的，其中开槽行进滚轮的尺寸和形状设置成用于可滑动地接纳钻杆和穿过它的绞缆。特别地，开槽行进滚轮被安装到可在伸长构架上滑动的滑架上。液压动机链条组件优选地作为钻杆绞缆导向装置的驱动装置。然而，也可以使用其它驱动装置，例如液压汽缸或齿条齿轮型系统。

该设备可以包括起重机，以分别将杆加载到该平台或从该平台上卸载杆。该平台也可以是轨道安装和自推进的，以便于现场安装和在支撑拖车上运输。

该设备被设计成，将钻杆运输至平台的纵向轴线的限定范围或附近，以及被设计成从平台的纵向轴线的限定范围或附近运输钻杆。为此，更靠近平台侧面的杆或需要被运载至所述位置的杆必须手动地运输(滚动)至所述纵向轴线附近，或从所述纵向周线附近手动地运输(滚动)出来。所以，该平台可以包括自动的钻杆转移机构以实现这种操作。

在本发明的另一个实施例中，提供一种手持式牵引插塞旋转器与牵引插塞的结合件。

所述牵引插塞与现有型号基本类似，因为其具有基本圆柱体，该圆柱体具有拧入钻杆箱形端的阳螺纹端或销螺纹端，和从圆柱体中轴向突出的吊环或凸耳元件用于与绞缆连接的相对端。然而，本发明的牵引插塞还包括中心体部分，该中心体部分具有适用于与其机械啮合的外表面。优选地，该中心体部分具有纵向花键外表面。

牵引插塞旋转器在一端包括用于夹持钻杆的夹持装置，在相对的另一端具有用于啮合牵引插塞的旋转装置，该旋转装置还用于旋转其自身以将插塞拧入钻杆或从钻杆上拧出插塞。理想地，夹持装置包括一对相对的枢转杆夹持爪，而旋转装置包括一组对立的齿轮，该齿轮设置成与牵引插塞中心体部分的花键啮合。一对把手从旋转器本体的每个侧部延伸，以操纵该旋转器本体，并且在旋转器本体顶部上还具有凸耳，该凸耳用于将旋转器本体从合适的结构上悬吊，或在钻机的钻杆堆垛旁边，并为电机提供了方便。

当不使用时，牵引插塞旋转器被放置在远离钻杆在堆垛钻杆的平台和桅杆之间运输时的行进线。投入使用时，在牵引插塞被移动到与平台上所选的堆垛钻杆的螺纹箱形端所对齐的位置及所接触的位置之后(牵引插塞将被抬升到桅杆，或者牵引插塞刚从桅杆上降低至平台)，旋转器随后被手动地从其静止位置移动至牵引插塞和所选的杆上；其中首先开动该旋转器以用一对夹爪夹紧钻杆，其次通过将齿轮与花键外表面啮合来旋转与钻杆相关的牵引插塞。优选地，旋转器的齿轮通过液压电机来转动，从而将牵引插塞拧入并紧固到钻杆上，或反过来，按要求使牵引插塞从钻杆上松开拧出。

本发明还包括一种杆处理系统，包括：上述定义的半自动杆处理设备，和上述定义的手持式旋转器与牵引插塞的结合件，其中该手持式牵引插塞旋转器被悬吊在平衡悬挂机构上并且可在该平衡和悬挂机构上摇摆。

在本发明的优选实施例中，平衡悬挂机构包括枢转支撑臂和拉缆。该平衡悬挂机构相对于所述平台的所述纵向轴线，被设置在所述伸长构架反面的所述平台上，并且它至少在所述平台的所述纵向轴线的横向方向上是可移动的，以为所述牵引插塞旋转器提供预设工作区域，并为从所述平台抬升的所述钻杆或下降至所述平台的所述钻杆提供间距。拉缆的一端固定到枢转臂，而另一端具有抓住牵引插塞旋转器的钩子。该拉缆使得工具基本上无重量，并且非常容易操作。枢转臂可以被支撑在平台第一端的起重顶杆上，或者可以由固定在起重平台侧面上的竖直杆或柱结构支撑。

应当理解的是，除了枢转臂，还可以使用其它合适的结构来使牵引插塞旋转器从拉缆上悬吊下来，并远离钻杆行进行线在运行位置和静止位置之间移动。例如，可以为高架水平梁组件提供滚轮，其中该滚轮可在高架水平梁组件上移动，并且拉缆可以连接到该滚轮上。

该设备的主要可开动元件(伸长构架定位装置、滑架)和手持式旋转器的旋转器齿轮和夹爪通常是液压的，并且由连接到平台或遥控器的操作员的主控台来控制。

在准备该设备的运行中，首先在高架水平梁上调节伸长构架的位置，与钻机旁边的平台的位置协同，使得在沿着伸长构架朝向钻桅的最大行程处的钻杆和绞缆导向装置，能够使用绞盘和牵引插塞来组装和拆卸钻柱。基本上，如此的调整，使得在钻杆绞缆导向装置的所述最大行程位置中，经该设备处理并通过行进滚轮凹槽的钻杆应当与钻柱的中心线对齐。

为了将钻杆从平台运载至钻机的桅杆上，首先，主绞缆具有牵引插塞，和附接在牵引插塞端部的所需适配器，主绞缆必须穿过钻杆绞缆导向装置的开槽行进滚轮，该开槽行进滚轮被设置于钻杆箱形端的垂直上方。然后将该牵引插塞适配器拧入钻杆的箱形端，该钻杆中心定位在平台上多层布置的钻杆的顶部，也就是说，该钻杆在该平台纵向轴线附近。在本发明的优选实施例中，这个步骤由本发明的手持式牵引插塞旋转器以前述的方式来辅助执行。

一旦牵引插塞被完全紧固到钻杆，钻机的主绞盘被开动以从平台上拉动钻杆并同时抬升钻杆，首先从箱形端开始，将其传送经过绞缆钻杆导向装置，该绞缆钻杆导向装置沿着伸长构架适当移动以使其一直与钻杆保持接触，绞缆钻杆导向装置完全朝着桅杆沿着伸长构架向上移动至最大行程点，直至该钻杆被抬升到在组装时钻杆与钻柱对齐的点。

对于将钻杆从钻机上降下，其步骤与上述的相同，但是顺序相反。

为便于对上述构思的理解，参照附图对本发明进行描述说明。

附图说明

在附图中：

图1描述了本发明的半自动钻杆处理设备的轴测图，图中具体示出了各元件的布置。

图2描述了本发明的半自动钻杆处理设备在运行中从起重平台上抬升钻杆并将其运载至钻机桅杆时的侧面图，图中具体示出钻杆连接至牵引插塞和绞缆之时该绞缆穿过钻杆绞缆导向装置的阶段。

图3描述了图2中的系统，具体示出钻杆从起重平台上进一步抬升并向上倾斜时的阶段。

图4描述了图2中的系统，具体示出钻杆更进一步的抬升和向上倾斜并被置于钻杆绞缆导向装置上时的阶段，其沿着伸长构架移动以同钻杆一直保持接触，钻杆实际上将会被抬升至脱离平台且牵引插塞抵达其安置在钻机桅杆上的点。

图5描述了图2中的系统，具体示出钻杆到达桅杆上的最终位置并将与钻机的驱动头连接时的阶段。

图6描述了根据本发明的牵引插塞旋转器与牵引插塞的结合件的轴测图。

图7描述本发明的钻杆处理系统的轴测图，具体示出在钻杆和本发明的牵引插塞旋转器与牵引插塞的结合件啮合时各元件的位置。

具体实施方式

参照附图，其示出了本发明的示例性实施例，其中区分了下列组成元件：

●钻杆处理系统1

●钻杆2

●钻机3

●顶部驱动4

●桅杆5

●主绞盘6

●绞缆7

●牵引插塞8

●适配器9

●杆旋转器10

●平台11

●纵向轴线12

●平台的第一端或近端13

●平台的第二端或远端14

●平台侧部15

●起重顶杆16

●轨道17

●钻杆处理设备18

●伸长构架19

●高架水平梁20

●钻杆绞缆导向装置21

●开槽行进滚轮22

●滑架23

●手持式牵引插塞旋转器24

●齿轮25

●夹爪26

●把手27

●凸耳28

●平衡悬挂机构29

●枢转支撑臂组件30

●拉缆31

●花键32

在图1中，起重平台11被描述为安置在四个起重顶杆16上，每个边角一个，并且具有许多钻杆2，所述钻杆2以多层布置的方式堆垛在起重平台11的顶板上。所示的平台安装在轨道17上，并且该平台是自推进的，以便于实地安装和在支撑拖车上运输。然而，这种情况可以不是必须的，因为本发明可以使用任何合适的自推进或非自推进钻杆平台。

本发明的半自动钻杆处理设备18的伸长构架19被支撑在横向高架水平梁20上，该横向高架水平梁以悬臂的方式从起重平台11的第一端13的起重顶杆16中的一个凸出。该设备的钻杆和绞缆导向装置21包括安装在滑架23上沿着伸长构架19滑动的开槽行进滚轮22。

参照图2至图5，根据本发明的钻杆处理设备18被示出，与具有顶部驱动器4的钻机3一起运行。如本发明所要求的，钻机3还具有主绞盘6和带有适配器9的牵引插塞8。在图中示出的本发明的示例性实施例中，钻机包括安装在拖车上的钻桅5，其中该桅杆其上安装有杆旋转器10，杆旋转器10用于解扣操作并因此确定钻柱中心线(未示出)。

图中的细长起重平台11被放置成其第一端13靠近于钻机3以用于运行，钻杆2以纵向多层布置的方式被堆垛在所述平台上，其中该钻杆的箱形端位于该平台的近端，面向钻机3。首先，伸长构架19被调整到高架水平梁20上的位置内，伴随着平台11的位置紧接着钻机3，使得朝向钻桅5处于最大行程的钻杆绞缆导向装置21能够沿着伸长构架19与钻柱中心线对齐，从而使钻柱的装配成为可能。而后，来自钻机3的所需的适配器和具有牵引插塞8的主绞缆7一起经过钻杆导向装置21和绞缆的开槽行进滚轮22。

为了将钻柱从该平台运载至钻机的桅杆，需执行以下步骤：

1、绞缆钻杆导向装置21最初被配置于所述平台近端的竖直上方。然后，将具有适配器9的牵引插塞8拧入钻杆的箱形端，该钻杆被中心地定位在所述平台上多层布置的钻杆的顶部(图2)。

2、一旦牵引插塞8被完全紧固住，主绞盘6被开动，使得所选的钻杆2通过该杆的箱形端(图3)被从平台11上抬升，直至牵引插塞和钻杆经过绞缆钻杆导向装置21的行进滚轮22的凹槽，然后所选的钻杆2在被主绞盘朝着桅杆方向拉动的同时，也被进一步抬升，从而将该钻杆运载到钻机处。这种操作与绞缆钻杆导向装置21协同执行，该绞缆钻杆导向装置21根据需要沿着伸长构架21朝向钻机移动，以随时支撑并维持和钻杆的接触。

3、主绞盘6继续拉动并抬升钻杆，直至牵引插塞与钻机桅杆(图4)接触且钻杆被抬升离开该平台，其单独被悬挂在绞缆7上且由绞缆钻杆导向装置21支撑。

4、随着主绞盘6持续抬升和拉动该钻杆，绞缆钻杆导向装置21渐渐地完全朝着桅杆5沿着伸长构架19移动至最大行程点，这将使钻杆2与用于组装钻柱的钻柱中心线对齐(图5)。

5、在组装钻杆和钻柱中，该钻杆通过主绞盘6被降低到桅杆中，并通过钻杆旋转器10在其销螺纹端拧入至现有钻柱中。然后，钻杆2还被降低经过绞缆钻杆导向装置21，随同钻柱一起下降至孔中，使得带有适配器9的牵引插塞8可以通过钻杆旋转器10或其它装置移除。随后，带有适配器9的牵引插塞8被主绞盘6抬升，并被垂直地布置在平台11近端上方，将另一个杆从所述平台运载至所述钻机。

根据需要，多次重复这些工序。

为了将钻杆从钻机运载至平台，其反向过程按照如下描述进行执行：

1、首先，绞缆钻杆导向装置21被配置在沿着伸长构架朝向桅杆的最大行程的点上，其中主绞缆和牵引插塞以及所需的适配器一起通过开槽行进滚轮。将绞缆和具有适配器的牵引插塞下降，并在钻柱旋转器10的帮助下拧入钻杆的箱形端，其中该钻杆位于钻柱的顶部。

2、然后，将钻杆2与主绞盘一起抬升，直至钻杆2可以从钻柱上用钻杆旋转器10或其它装置拧下。一旦被拧下，钻杆被抬升离开钻柱并抬升到其被支撑在行进滚轮上的高度。

3、随后，降低钻杆，并将其运载至起重平台，其中主绞盘把持着杆的箱形端，而钻杆导向装置21沿着所述伸长构架往该平台的方向上移动，在此过程中，绞缆钻杆导向装置朝向该平台拉动该杆。在此过程中，在钻杆被悬吊在牵引缆上并被支撑在绞缆钻杆导向装置21上时，牵引插塞与钻机桅杆接触。然后，随着该钻杆的销端接近平台并最终通过重力落在平台上时，该杆被移动离开钻机桅杆。纵观这整个阶段，行进滚轮按照要求沿着伸长构架19朝向起重平台移动，以随时保持与所述钻杆接触。

4、一旦钻杆的螺纹销端下降到该平台(或已经堆垛在该平台上的钻杆的顶部)，该杆将通过重力朝着该平台的第二端或远端滑动，直至行进滚轮到达该平台近端垂直上方的点，该钻杆的销端便到达该平台的第二端，然后该杆也最终完全落到该平台上。

5、在该钻杆完全安置在该平台上时，牵引插塞及其所需的适配器被拧下，然后绞缆和牵引插塞被重新布置在桅杆上，以便钻柱顶部的下一个杆通过绞缆钻杆导向装置21向桅杆移动返回。

在图6中，描述了一种根据本发明的手持式牵引插塞旋转器24与牵引插塞8的组合体的实例，其中适配器9附接到牵引插塞8。该旋转器的齿轮25与牵引插塞8的花键32啮合，旋转器的夹爪26是张开的并准备夹取钻杆。把手27用于操纵该旋转器，使其从静止位置旋转牵引插塞，并从运行位置将该牵引插塞从钻杆上拧出。该旋转器能通过其顶部的凸耳28悬挂在合适的结构上。

从图7(示出了根据本发明的杆处理系统1)中可以看出，用于悬吊牵引插塞旋转器24的枢转支撑臂组件30被显示安装在平台11的对面侧，其中该对面侧安装有伸长构架。该臂组件30至少能够在该平台上方一固定高度的水平面内移动，使该牵引插塞旋转器24在需要的地方被定位和使用。然而，在不偏离本发明原理的情况下，也可以使用用于支撑所述旋转器的其它结构。

尽管所描述的手持式牵引插塞旋转器与牵引插塞的结合件可以用在半自动杆处理设备中，例如本发明中的一个，但是通常情况下，它也能够用于处理其它杆处理设备中的钻杆，并能用于处理主绞盘和带有适配器的牵引插塞的那种类型的钻机。