具有可在井筒钻井模式、起下钻模式以及绕开模式中操作的顶部驱动系统的钻机的制作方法

本发明涉及钻机领域。例如，本发明适用于由模块组成的移动模块化钻机，这些模块可以容易地组装并且例如由公路车辆从一个钻井位置运输到下一个钻井位置。

背景技术：

在本申请人的wo2006/038790、wo2013/133698、wo2013/109147和wo2014/178712中提供了移动模块化钻机的示例。

钻机包括钻塔和具有井中心的钻台。在实践中，钻台的井中心与井筒或井眼(例如到烃储层的井筒或用于地热井的井筒)对齐。在陆地钻机版本中，钻台可以保持在地面上方的升高水平处，例如允许在钻台下方放置防喷器。钻机还可以在海上环境中使用，例如在自升式平台的悬臂上或在导管架基础上，可能与通向海底井筒的海底隔水管一起使用，或用于无隔水管井筒操作中。

在已知的实施方案中，滑动装置布置在井中心处，并且适于将钻柱悬吊在井筒中。例如，提供了一种远程控制机械滑动装置，其允许从操作室对该远程控制机械滑动装置进行受控操作。

在已知的实施方案中，钻机包括在井中心附近的管件连接上扣和卸扣装置，其在本领域中是已知的，例如，铁钻工机器或机械钳装置。通常，这种装置允许在钻柱和/或承窝接头的端部处进行螺纹连接器的机械连接和断开连接。例如，提供了一种远程控制的机械化管件连接上扣和卸扣装置，其允许从操作室对其进行受控操作。

在已知的实施方案中，钻机包括指板装置，该指板装置适于存放钻井立管。

在已知的实施方案中，钻机包括顶部驱动系统和竖直运动驱动装置，该竖直运动驱动装置适于产生顶部驱动系统相对于钻塔的竖直运动，以便进行钻井和起下钻操作。

已知的顶部驱动系统包括移动托架，其能够通过竖直运动驱动装置沿钻塔的所述一个或多个竖直轨道竖直地移动。所述一个或多个竖直轨道是静止安装的，并且平行于延伸穿过井中心的竖直作业线。

所述移动托架支撑顶部驱动单元，所述顶部驱动单元包括顶部驱动马达和旋转扭矩输出构件(例如旋转杆)，该旋转扭矩输出构件适于与在穿过井中心的作业线中延伸的钻柱的顶端接合(例如螺纹接合)，以将扭矩施加到所述钻柱，从而进行钻井操作。

在现场，例如当钻头已经磨损并且需要更换或维修时，已知的操作是钻柱的起下钻。这涉及起出钻，其中使钻柱提升，以使多个钻柱的立管延伸到钻台上方。例如，众所周知的是，拉动三重长度的立管，其总长度约为90ft。然后，通过滑动装置将钻柱悬吊在井筒中，并通过井中心附近的管件连接上扣和卸扣装置将升高的立管断开连接。例如，连接上扣和卸扣装置由可移动臂保持，例如，该臂安装在远离井中心的钻台上的支撑件上。在将连接断开后，然后将立管放置在指板的狭槽中。该起出钻过程将继续进行，直到钻头到达钻台。在更换或维修钻头后，钻柱再次被下入到井眼中。对钻柱进行起下钻的其他原因是例如需要替换、维修其他井下工具，例如泥浆马达、mwd单元(随钻测量工具)等。

已知利用远程控制机械化管件排放装置来使立管在作业线与指板之间移动，从而允许从操作室对其进行受控操作。

起下钻通常被认为是耗时且因此是昂贵的过程。应当指出的是，除钻杆柱外，起下钻还可能涉及其他管柱，例如，由相互连接的套管组成的套管柱。

在同一申请人的wo2016/204608中，提出了配置顶部驱动系统，使得在起下钻模式中，在起下钻操作升降机竖直上方存在无障碍区域，从而允许顶部驱动系统沿着在井中心上方的作业线中的钻井立管下降，至少使顶部驱动系统位于钻井立管的顶端下方，例如，允许降低直至位于钻台上的井中心附近，同时通过管件连接上扣和卸扣装置将钻井立管断开连接。还进一步提出了，顶部驱动系统实施为使得在起下钻模式中并且在顶部驱动系统至少降低到所述钻井立管的顶端以下的情况下，可将钻井立管从作业线移除(主要是在横向方向上)，从而允许在指板装置中放置钻井立管。

先前提出的顶部驱动系统的优点在于，其允许将顶部驱动系统的已知的和有利的用途结合起来用于钻井操作，而不是使用旋转工作台驱动系统将扭矩施加到钻柱，所述顶部驱动系统具有对钻柱快速起下钻，并且还可以从钻井操作快速有效地转换为起下钻操作(及相反地操作)。

然而，尽管现有技术解决方案导致起下钻操作所涉及的时间显著减少，但是所获得的减少并不令人满意。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种改进的钻机，例如，鉴于希望减少起下钻操作所涉及的时间。

该目的通过提供一种适于执行钻井和/或其他井筒相关活动的钻机来实现，该钻机根据权利要求1来实施。

根据本发明的钻机的优点在于，顶部驱动单元和起下钻操作升降机都可以定位成远离作业线到这样的程度，从而使得顶部驱动系统能够经过接合在钻井立管上的管件排放装置，钻井立管由滑动装置保持在井中心上方的作业线中。因此，在起下钻操作之后，顶部驱动系统已经降低超过管件排放装置，同时通过管件连接上扣和卸扣装置将钻井立管断开连接，但是也可以在起下钻操作之后，顶部驱动系统已经升高超过管件排放装置，同时通过管件连接上扣和卸扣装置连接新的钻井立管。因此，可以在起下钻操作期间，但也可在钻井操作期间，减少额外的时间。

在一个优选实施方案中，通过提供适当的驱动装置和控制装置来使该钻机的起下钻过程和/或钻井过程中涉及的所有设备机械化，这些装置优选地从操作室进行远程控制，从而允许执行起下钻操作和/或钻井操作，而在井中心附近无需任何工作人员，或者在起下钻过程和/或钻井过程中至少在井中心附近没有人的存在。

优选地，本文所述的起下钻操作和/或钻井操作涉及的所有设备都连接到中央计算机控制单元，该中央计算机控制单元被编程为全自动地执行起下钻操作和/或钻井操作，至少执行钻柱的主要部分的起下钻操作和/或钻井操作。可以设想，在这样的全自动起下钻和/或钻井流程中，操作室中的一个或多个操作者仅用于监督该过程并在异常情况下做出响应。在半自动流程中，一个或多个操作者可以通过一个或多个输入设备来给出一些命令，这些命令使该流程的一部分开始。

在一个实施方案中，起下钻操作升降机包括在俯视图中为c形的主体，该c形主体具有横向开口(例如向前开口)；竖直通道，其穿过升降机主体并且尺寸设计成，当托架在起下钻过程中移动时，允许升降机主体沿作业线中的钻井立管无阻碍地竖直通过，即，清空钻井立管上由钻井立管中的一个或多个连接器形成的任何直径扩大的部分。可以选择竖直通道和开放的侧面(例如前部)的尺寸，以适应钻机要处理的钻柱的最大直径，从而避免了在处理不同直径的管件时(例如在处理套管而不是钻管接头的情况下)需要更换起下钻操作升降机。

起下钻操作升降机优选地进一步包括一个或多个可移动的(例如可枢转的)锁定或管件接合构件，例如位于穿过升降机主体的竖直通道的相对的侧部上，并且所述一个或多个可移动的锁定或管件接合构件在其留隙位置上允许立管中的直径扩大的部分通过，例如在起下钻操作中托架下降期间，并且在其锁定位置上，接合在由这种直径扩大的部分(例如连接器(例如螺纹连接器))形成的肩部的下方，从而允许管件(更具体地，管柱)提升。

例如，在起下钻操作升降机上设置两个可移动锁定构件，每个锁定构件绕水平轴线枢转，例如，每个锁定构件具有面向端部的管件，该端部具有半圆形凹部，其与要处理的管件的直径相适应的。例如，能够设想的是，锁定构件适配于要处理的管件的直径，并且如果要处理另一管件直径，仅更换锁定构件。

例如，为每个锁定构件设置有致动器，例如液压缸，例如允许远程控制锁定构件。

例如，起下钻升降机在其下端设置有c形水平截面烟囱状通道，以促进升降机沿着立管滑动以及使升降机经过悬吊的管柱的竖立端。

在一个实施方案中，顶部驱动单元和起下钻操作升降机被机械地连接，以便在操作致动器组件中的一个或多个致动器时一致地移动，以便在钻井模式与起下钻模式之间切换。这减少了切换中涉及的致动器的数量，并且还避免了顶部驱动单元和起下钻操作升降机发生碰撞的任何机会，从而增加了设计顶部驱动系统的两个部分的自由度。

在一个实施方案中，起下钻操作升降机由一个或多个连杆或吊杆悬吊，所述一个或多个连杆或吊杆各自都在其上端从可枢转升降机支撑臂连接，该可枢转升降机支撑臂绕水平枢转轴线枢转地连接至移动托架。这种布置允许使如下机构实现稳健设计，其中该机构使得升降机相对于托架在升降机的起下钻模式位置与钻井模式位置之间移动。

在一个实施方案中，托架设置有至少一个一体的可枢转支撑臂构件，其绕水平枢转轴线枢转地安装在托架中，并且该一体的可枢转支撑臂构件形成支撑臂，该支撑臂将顶部驱动单元支撑在移动托架上，其一体的可枢转支撑臂构件进一步形成了起下钻升降机支撑臂，起下钻操作升降机例如通过一个或多个连杆从起下钻升降机支撑臂悬吊。例如，托架设置有左侧一体的可枢转支撑臂构件和右侧可枢转支撑臂构件，例如，所述构件连接至顶部驱动框架的相对的侧部。例如，作为优选地，左侧一体的枢转支撑臂构件和右侧一体的枢转支撑臂构件分别沿着u形水平截面桅杆式井架的相应侧壁的内侧延伸，以在操作位置与起下钻模式中的缩回位置之间移动顶部驱动单元，在操作位置上旋转输出构件与作业线对齐，在缩回位置上顶部驱动单元更靠近桅杆式井架的后壁。应当理解，由于直接的机械连杆，起下钻操作升降机还将在与钻井模式和起下钻模式相关的相应位置之间移动。在一个实施方案中，致动器布置成作用在一体的可枢转支撑臂构件上，例如安装在托架与一体的可枢转支撑臂构件之间。

在一个实施方案中，竖直运动驱动装置包括具有滑轮的定滑轮组件，所述定滑轮组件安装在钻塔上，并且进一步，竖直运动驱动装置包括具有绞盘和绞盘驱动缆索的绞车，其中，移动托架设置有滑轮。通过在所述滑轮上绕过的所述缆索，将移动托架从定滑轮悬吊。

在一种替代设计中，竖直运动驱动装置可以包括一个或多个长冲程液压缸、齿条齿轮运动驱动装置或其他装置。

在一个实施方案中，在移动托架上的滑轮被组装在左侧滑轮组件和右侧滑轮组件中，无障碍区域经过或位于这些滑轮组件之间。

优选地，托架上的滑轮的滑轮轴线与作业线相交或靠近作业线经过，使得在钻井模式下，旋转输出构件位于该滑轮轴线竖直下方。这允许在移动托架上的滑轮与顶部驱动系统的一部分之间建立尽可能多的竖直载荷路径，顶部驱动系统处于作业线中存在的所述模式中的一种。

例如，当起下钻升降机从一个或多个连杆悬吊时，优选的是，当处于起下钻模式时，所述一个或多个连杆处于竖直定向，与托架上的滑轮以及所述定滑轮的滑轮竖直对齐以建立用于起下钻载荷的竖直载荷路径。应当注意，在起出钻期间，竖直载荷可能非常大，这不仅是由于钻探井柱的重量，而且还由于井筒中的摩擦力、井筒曲率和狭窄的通道等。在优选实施方案中，作业线定位在u形水平截面的桅杆式井架的前立柱之间，托架在固定于所述前立柱的轨道之间移动，使得所述竖直起下钻载荷处于与前立柱相交的平面中。

在一个实施方案中，顶部驱动单元绕水平枢转轴线枢转地支撑在移动托架上，并且在钻井模式下，枢转轴线优选地在围绕作业线的竖直平面中。

在一个实施方案中，起下钻操作升降机由一个或多个连杆悬吊，一个或多个连杆分别在其上端连接到可枢转升降机支撑臂，该可枢转升降机支撑臂绕水平枢转轴线枢转地连接到移动托架，并且在起下钻模式下，起下钻操作升降机的连杆位于竖直平面上。优选地，在一个实施方案中，该竖直平面延伸穿过或接近经过定滑轮的滑轮和移动托架上的滑轮的平面，以便产生尽可能多的竖直载荷路径。

在一个实施方案中，顶部驱动单元包括顶部驱动框架，该顶部驱动框架支撑顶部驱动马达和旋转输出构件，可能具有在马达和旋转输出构件之间的中间齿轮装置，可能具有其他与顶部驱动相关的元件，例如夹持装置、泥浆保护阀等。框架可移动地安装至托架，从而使框架能够在一方面的非操作缩回位置与另一方面旋转输出部件与作业线对齐的位置之间移动。在为u形水平截面的桅杆式井架的实施方案中，在一个实施方案中可以设想，当处于非操作缩回位置并且在起下钻模式下处于更向前位置时，顶部驱动框架靠近u形桅杆式井架的后壁，从而使旋转输出构件与作业线对齐，例如，所述作业线位于经过桅杆式井架的竖直前立柱的平面中。

在一个实施方案中，顶部驱动框架由支撑臂支撑在托架上，所述支撑臂枢转地连接到托架和顶部驱动框架，其中，致动器组件包括在移动托架与支撑臂之间的一个或多个致动器以及在移动托架与顶部驱动框架之间的一个或多个致动器。例如，致动器是液压缸。

在一个实施方案中，起下钻操作升降机由一个或多个连杆悬吊，这些连杆各自都在其上端连接至可枢转升降机支撑臂，所述可枢转升降机支撑臂绕水平枢转轴线枢转地连接至移动托架，并且致动器组件包括在顶部驱动框架与一个或多个连杆之间的一个或多个致动器。

在一个实施方案中，具有u形水平截面的桅杆式井架，并且顶部驱动框架可移动地安装至托架，可以期望将托架以及顶部驱动框架和顶部驱动单元实施为，使得在非操作缩回位置上，整个托架、顶部驱动框架以及顶部驱动单元位于桅杆式井架的轮廓内，而不从桅杆式井架的开放前端突出。例如，这可以允许桅杆式井架部段的运输，例如将桅杆式井架部段水平放置在平板拖车上进行运输，托架、顶部驱动框架和框架内的顶部驱动单元处于非操作位置。应当理解的是，即使在一个其中没有如本文所讨论的起下钻操作升降机，例如仅是常规的顶部驱动安装升降机的实施方案中，这也是有利的。

在一个实施方案中，钻塔是桅杆式井架，桅杆式井架具有u形水平截面，其具有左侧桅杆式井架壁、后侧桅杆式井架壁和右侧桅杆式井架壁，并且具有开放的前侧。例如，桅杆式井架由可连接的桅杆式井架部段组成，例如包括设置有定滑轮的顶部部段，连接到钻台的下部部段或底板部段，并且具有一个或多个中间部段。

在一个实施方案中，桅杆式井架包括左侧竖直前立柱、右侧垂直前立柱、以及竖直后对角立柱，每个前立柱由撑杆连接到相应的后对角立柱用以形成桅杆式井架的相应的侧壁，所述后对角立柱通过撑杆而彼此连以形成桅杆式井架的相应的后壁，桅杆式井架具有位于前立柱之间的开放的前侧。

在一个实施方案中，竖直轨道固定至竖直前立柱中的每一个，并且沿着所述竖直轨道来引导所述移动托架，从而托架在这些轨道之间移动，例如托架与顶部驱动单元一起主要在u形截面的桅杆式井架的轮廓内在这些轨道之间移动，至少在起下钻模式下托架与顶部驱动单元一起主要在u形截面的桅杆式井架的轮廓内在这些轨道之间移动。

在一个实施方案中，托架在两个竖直轨道之间移动，该两个竖直轨道在围绕作业线的竖直平面中延伸，例如，所述轨道固定至u形水平截面桅杆式井架的竖直前立柱。

在一实施方案中，托架包括结构框架，该结构框架具有通过一个或多个横向框架构件互相连接的左侧托架框架构件和右侧托架框架构件，其中所述横向框架构件向作业线的后方延伸以提供所述的无障碍区域，从而允许在向前的方向上横向地移除立管。

在一个实施方案中，左侧滑轮组件安装在左侧托架框架构件上，右侧滑轮组件安装在右侧托架框架构件上，其中所述无障碍区域在这些滑轮组件之间穿过。

在一个实施方案中，托架具有左侧托架框架构件和右侧托架框架构件，左侧托架框架构件和右侧托架框架构件各自都设置有一个或多个轨道从动件，例如滚轮和/或滑动轴承，其接合在两个竖直引导轨道上，托架在所述两个竖直引导轨道之间移动。

在一个实施方案中，顶部驱动系统进一步包括与起下钻操作升降机不同的钻井操作升降机，该钻井操作升降机适于将钻柱在顶部驱动单元的旋转输出构件下方保持为竖直定向。钻井升降机通常在现场使用，例如用于组建立管或其他活动。在一个实施方案中，钻井升降机包括环形升降机主体，该环形升降机主体可以打开以允许将管柱引入升降机中，然后关闭以形成围绕管柱的闭合环形主体，例如，设置用于远程控制钻井升降机主体的打开和关闭的致动器。如本领域所公知的，闭合环形升降机主体可以接合在由管柱的直径扩大部分(例如连接器(例如管柱的端部处的螺纹连接器))形成的肩部下面。

在一个实施方案中，如本领域中已知的，钻井操作升降机从顶部驱动单元悬吊。例如，钻井操作升降机借助于一对连杆或吊杆而悬吊，所述一对连杆或吊杆在其上端枢转地连接到顶部驱动单元。在一个实施方案中，提供了一种倾斜机构，该倾斜机构接合在钻井操作升降机的连杆或吊杆上，并且适于在倾斜定向与竖直定向之间移动连杆。

在一个实施方案中，左侧指板装置安装至桅杆式井架的左侧部，而右侧指板装置安装至桅杆式井架的右侧部。将这些指板放置在桅杆式井架的侧部是有利的，例如，鉴于从操作室到桅杆式井架前侧的视线，顶部驱动系统在桅杆式井架前侧移动。在这种布置中，优选的是，桅杆式井架是u形水平截面的桅杆式井架，其具有左侧壁和右侧壁、后壁以及开放的前部，例如具有本文所述的一个或多个特征。优选地，这些指板装置中的每一个均具有限定狭槽的指状部，该狭槽平行于桅杆式井架的相应侧部延伸并且在指板装置的前侧处开放。在另一个实施方案中，指板装置是半圆形的，其中在前部开口的狭槽布置在从共同的中心发射出的线上，例如该中心位于管件排放装置附近。因此，立管可以有效地存放到桅杆式井架的左侧和右侧，并且不会阻挡桅杆式井架前侧的视野。

在一个实施方案中，该管件排放装置包括一个或多个可移动的管件夹持器组件，所述一个或多个可移动的管件夹持器组件具有一个或多个夹持器，所述一个或多个夹持器适于夹持管柱或立管，并在每个指板装置与作业线之间移动管柱或立管。如所提到的，已知并且优选的是，使所述管件排放装置机械化并且允许其例如从操作室进行远程控制，例如基于适当编程的计算机控制单元允许全自动或半自动操作，例如作为起下钻过程的全自动控制或半自动控制的部分。

在一个实施方案中，左侧指板装置安装至桅杆式井架的左侧部，而右侧指板装置安装至桅杆式井架的右侧部，每个指板装置的前侧都具有用于立管的狭槽。管件排放装置包括由桅杆式井架支撑的结构框架，该结构框架相对于钻台位于升高的位置处，其中，所述结构框架包括一个或多个水平轨道，所述水平轨道横穿桅杆式井架的开放的前侧并且横跨指板装置的前侧延伸。管件排放装置进一步包括可移动的管件夹持器组件，可移动的管件夹持器组件由所述一个或多个轨道引导并且设置有一个或多个夹持器并适于夹持立管，并使立管在指板装置与作业线之间移动。管件排放装置实施为允许顶部驱动系统在其钻井模式以及在其起下钻模式下竖直通过，例如，当处于钻井模式时，将起下钻操作升降机置于桅杆式井架前方的位置。优选地，可移动的管件夹持器组件可在水平平面中在x方向(沿着结构框架的所述一个或多个轨道)和y方向(在垂直于所述一个或多个轨道的向前和向后的方向)上移动。在另一个实施方案中，可移动的管件夹持器组件与指板装置一起组合成可绕竖直轴线旋转，指板装置具有在沿所述竖直轴线发射出的线定向的狭槽。

在一个实施方案中，排放装置的结构框架包括顶板，所述顶板在轨道上方延伸以遮蔽所述轨道，例如，一个轨道是在所述顶板下方延伸的高架轨道。

在一个实施方案中，管件排放装置的可移动的管件夹持器组件设置有辅助绞盘和绞盘驱动缆索，优选地，可移动的管件夹持器组件可在水平平面中沿x方向和y方向移动，其中，可移动的管件夹持器组件至少可定位在在一个位置上，定位在该位置上使得绞盘驱动缆索在井中心上方对齐，并且可以使用辅助绞盘(其位于管件排放装置的可移动的管件夹持器组件上)将绞盘驱动缆索降低到钻台上的井中心，从而在井中心上方或井中心附近执行提升操作。这基本上允许将管件排放装置用作起重机，以提升必须放置在井中心处或从井中心移除的物体。例如，该起重机可以用于处理rcd(旋转控制设备)设备(用于进行受控制的压力钻井操作)、在需要更换时的起下钻操作升降机、滑动装置等。

在一个实施方案中，钻塔(例如u形水平截面的桅杆式井架)在其顶部处设有辅助起重机，该辅助起重机具有固定至钻塔的基座和通过竖直轴线转动支承部连接到基座的起重机吊臂，从而允许转动吊臂，例如大约转动一整圈。在此，所述辅助起重机包括绞盘和用于升降物体的绞盘驱动缆索。辅助起重机实施为使得绞盘驱动缆索可以在顶部驱动系统的起下钻模式下沿着作业线竖直地向下经过到井中心，从而允许使用辅助起重机在井中心处或井中心附近或朝向井中心进行提升操作以及远离井中心进行提升操作。

在一个实施例中，在桅杆顶部的辅助起重机是旋臂起重机或悬臂起重机，其中，吊臂在水平方向上永久地延伸，并且推车可沿吊臂移动，其中，推车设有滑轮和/或绞盘，并且推车至少可定位成使得经过所述滑轮和/或从绞盘垂下的绞盘驱动缆线与作业线对齐，并且处于远离所述作业线的位置。

本发明还涉及一种构造成执行钻井和/或其他井筒相关活动的钻机，所述钻机包括：

-钻塔；

-钻台，其具有位于井筒上方的井中心；

-滑动装置，其适于将钻柱悬吊在井筒中；

-管件连接上扣和卸扣装置；

-顶部驱动系统；

-竖直运动驱动装置，其适于引起所述顶部驱动系统相对于钻塔的竖直运动，以执行钻井和起下钻操作；

-指板装置，其适于存放钻井立管，

其中，钻塔设置有一个或多个竖直轨道，这些轨道平行于延伸穿过井中心的竖直作业线，

其中，钻机进一步包括管件排放装置，该管件排放装置包括一个或多个可移动的管件夹持器组件，所述一个或多个可移动的管件夹持器组件具有一个或多个夹持器，所述一个或多个夹持器适于夹持钻柱或钻井立管，并在指板装置与作业线之间移动钻柱或钻井立管，

其中，顶部驱动系统包括：

-移动托架，其能够通过所述竖直运动驱动装置沿钻塔的所述一个或多个竖直轨道竖直地移动，

-顶部驱动单元，其由所述移动托架支撑，并且所述顶部驱动单元包括顶部驱动马达和旋转扭矩输出构件，所述旋转扭矩输出构件与在穿过井中心的作业线中延伸的钻柱的顶端接合，以将扭矩施加到所述钻柱，从而进行钻井或其他井筒相关操作，

其中，顶部驱动系统包括起下钻操作升降机，该起下钻操作升降机适于与钻柱或钻井立管接合，以便执行起下钻操作，

其中，顶部驱动单元和起下钻操作升降机相对于托架是能够移动的，并且其中，顶部驱动系统设置有致动器组件，该致动器组件适于引起顶部驱动单元和起下钻操作升降机的所述相对运动，从而提供：

-井筒钻井模式；

-起下钻模式；以及

-绕开模式，

其中，顶部驱动单元和致动器组件构造成借助于所述致动器组件在顶部驱动单元的操作位置与顶部驱动单元的缩回位置之间移动，在顶部驱动单元的操作位置上旋转扭矩输出构件与作业线对齐，

其中，起下钻操作升降机和致动器组件构造为通过所述致动器组件在起下钻操作升降机的操作位置与远离作业线的起下钻操作升降机的非操作位置之间移动起下钻操作升降机，在起下钻操作升降机的操作位置上起下钻操作升降机与作业线对齐，

其中，在井筒钻进模式下，顶部驱动单元位于其操作位置上，而起下钻操作升降机位于远离作业线的其非操作位置上，

其中，在起下钻模式中，顶部驱动单元位于其缩回位置上，而起下钻操作升降机位于其操作位置上，从而在起下钻操作升降机竖直上方存在无障碍区域，以允许沿钻井立管降低顶部驱动系统，至少直到顶部驱动系统已经经过所述钻井立管的顶端下方，所述钻井立管由滑动装置保持在位于井中心上方的作业线中，

其中，顶部驱动系统实施为使得当顶部驱动系统至少降低到所述钻井立管的顶端下方时，所述钻井立管通过管件排放装置而能够被从作业线而移除，主要是能够在横向方向上将所述钻井立管通过管件排放装置从作业线移除，从而允许将所述钻井立管放置在所述指板装置中，

其中，在绕开模式中，顶部驱动单元位于其缩回位置上，而起下钻操作升降机位于缩回位置上，所述缩回位置在对应于顶部驱动单元的缩回方向的方向上远离作业线，

并且其中，在绕开模式中，顶部驱动单元和起下钻操作升降机都与作业线具有空隙，使得在管件排放装置接合在钻井立管上(该钻井立管由滑动装置保持在井中心上方的作业线中)的情况下，顶部驱动系统能够经过管件排放装置与所述钻井立管接合的位置。

本发明还涉及一种从井筒中将钻柱起出的方法，其中使用了根据本发明所述的钻机，所述方法包括以下步骤：

a)通过滑动装置将钻柱悬吊在井筒中，

b)使顶部驱动系统处于所述起下钻模式中，

c)降低移动托架，使起下钻操作升降机达到初始接合水平处，然后将起下钻操作升降机与悬吊的钻柱的顶端连接，

d)释放滑动装置并提升所述托架，以便将立管拉起到井中心上方，

e)接合滑动装置以悬吊钻柱，

f)降低移动托架，以将起下钻操作升降机移动至所述初始接合水平处，从而重新拉起下一个立管，

在该方法中，与托架的所述降低在时间上重叠地至少执行以下步骤之一：

-通过靠近井中心的所述管件连接上扣和卸扣装置将提升的立管从悬吊的钻柱断开连接，

-从作业线移除断开连接的立管，主要在横向方向上从作业线移除断开连接的立管，涉及用排放装置夹持立管，

-将钻井立管放置在所述指板装置中，

g)当起下钻操作升降机已经达到所述初始接合水平处时，将起下钻操作升降机连接到悬吊的钻柱的顶端，

其中，在降低托架的过程中，顶部驱动系统暂时进入绕开模式，以经过管件排放装置与所述钻井立管接合的位置，并且在所述经过之后返回到起下钻模式。

本发明还涉及一种从井筒中将钻柱起出的方法，其中使用了根据本发明所述的钻机，所述方法包括以下步骤：

a)使顶部驱动系统处于所述起下钻模式中，

b)降低移动托架，使起下钻操作升降机达到初始接合水平处，然后将起下钻操作升降机与通过滑动装置悬吊在井筒中的钻柱的顶端连接，

c)释放滑动装置并且提升移动托架，从而将立管拉起到所述钻井立管的井中心上方，

d)接合滑动装置以悬吊钻柱，

e)降低移动托架，以将起下钻操作升降机移动至所述初始接合水平处，从而重新拉起下一个立管，

在该方法中，与托架的所述降低在时间上重叠地至少执行以下步骤之一：

-通过靠近井中心的所述管件连接上扣和卸扣装置将提升的立管与悬吊的钻柱断开连接，

-从作业线移除断开连接的立管，主要在横向方向上从作业线移除断开连接的立管，涉及用排放装置夹持立管，

-将钻井立管放置在所述指板装置中，

f)当起下钻操作升降机已经达到所述初始接合水平处时，将起下钻升降机连接到悬吊的钻柱的顶端，

其中，在降低托架的过程中，顶部驱动系统暂时进入绕开模式，以经过管件排放装置与所述钻井立管接合的位置，并且在所述经过之后返回到起下钻模式。

本发明进一步涉及一种用于将钻柱钻入井筒的方法，其中使用了根据本发明所述的钻机，所述方法包括以下步骤：

a)通过滑动装置将钻柱悬吊在井筒中，钻井立管连接到钻柱并且在井中心上方延伸；

b)使顶部驱动系统进入井筒钻井模式；

c)将旋转扭矩输出构件连接到钻井立管的顶端；

d)释放滑动装置并向钻井立管的顶端施加扭矩；

e)将钻柱钻入井筒，直到顶部驱动系统靠近钻台；

f)接合滑动装置以悬吊钻柱；

g)将旋转扭矩输出构件从钻柱的顶端断开连接；

h)使顶部驱动系统进入绕开模式；

i)提升托架；

在该方法中，与托架的提升在时间上重叠地至少执行以下步骤之一：

-使用排放装置从指板装置移除钻井立管；

-将钻井立管与排放装置一起放置在作业线中；

-通过靠近井中心的所述管件连接上扣和卸扣装置将立管连接到悬吊的钻柱；

j)使顶部驱动系统进入钻井模式；

k)将顶部驱动系统连接到钻井立管的顶端，钻井立管连接到悬吊的钻柱。

本发明进一步涉及一种用于将钻柱钻入井筒的方法，其中使用了根据本发明所述的钻机，所述方法包括以下步骤：

a)使顶部驱动系统进入井筒钻井模式；

b)将旋转扭矩输出构件连接到钻井立管的顶端，通过滑动装置将钻井立管悬吊在井筒中，钻井立管连接到钻柱并且在井中心上方延伸；

c)释放滑动装置并向钻井立管的顶端施加扭矩；

d)将钻柱钻入井筒，直到顶部驱动系统靠近钻台；

e)接合滑动装置以悬吊钻柱；

f)将旋转扭矩输出构件与钻柱的顶端断开连接；

g)使顶部驱动系统进入绕开模式；

h)提升托架；

在该方法中，与托架的提升在时间上重叠地至少执行以下步骤之一：

-使用排放装置从指板装置移除钻井立管；

-将钻井立管与排放装置一起放置在作业线中；

-通过靠近井中心的所述管件连接上扣和卸扣装置将立管连接到悬吊的钻柱；

i)使顶部驱动系统进入钻井模式；

j)将顶部驱动系统连接到钻井立管的顶端，钻井立管连接到悬吊的钻柱。

在实施方案中，在提升所述托架以经过排放装置的过程中，使顶部驱动系统进入绕开模式。

在一个实施方案中，所述顶部驱动系统在进入绕开模式之前首先进入起下钻模式，并且在经过排放装置之后，在进入钻井模式之前首先进入起下钻模式。

本发明还涉及一种顶部驱动系统，其用于具有钻井桅杆式井架的钻机，例如是具有u形水平截面的桅杆式井架，其具有左侧桅杆式井架壁、后部桅杆式井架壁和右侧桅杆式井架壁，并且具有开放的前侧，例如，所述桅杆式井架由相互连接的桅杆式井架部段组成，

其中，桅杆式井架(例如桅杆式井架的左侧壁和右侧壁)设有一个或多个竖直轨道，在使用钻机时，这些轨道与延伸穿过井中心的竖直作业线平行，

其中，所述顶部驱动系统包括：

-移动托架，其适于通过竖直运动驱动装置沿钻井桅杆式井架的所述一个或多个竖直轨道竖直地移动，

-顶部驱动单元，其由所述托架支撑，其包括顶部驱动马达和旋转扭矩输出构件(例如旋转杆)，该旋转扭矩输出构件适于与在穿过井中心的作业线中延伸的钻柱的顶端接合，以将扭矩施加到所述钻柱，从而进行钻井操作，

其中，所述顶部驱动系统进一步包括起下钻操作升降机，其适于能够与钻柱或钻井立管接合(例如与其顶端接合)，以便进行起下钻操作，

其中，顶部驱动单元和起下钻操作升降机相对于移动托架是能够移动的，并且其中，顶部驱动系统设置有致动器组件，该致动器组件适于引起顶部驱动单元和起下钻操作升降机的所述相对运动，从而提供：

-井筒钻井模式；

-起下钻模式；

-绕开模式，

其中，顶部驱动单元通过所述致动器组件在操作位置与缩回位置之间能够移动，在操作位置上，旋转扭矩输出构件与作业线对齐，

其中，起下钻操作升降机通过所述致动器组件在操作位置与远离作业线的非操作位置之间能够移动，在操作位置上，所述起下钻操作升降机与作业线对齐。

其中，在井筒钻进模式下，顶部驱动单元位于操作位置上，而起下钻操作升降机位于远离作业线的非操作位置上，

其中，在起下钻模式中，顶部驱动单元位于缩回位置上，而起下钻操作升降机位于操作位置上，从而在起下钻操作升降机竖直上方存在无障碍区域，以允许沿钻井立管降低所述顶部驱动系统，至少直到顶部驱动系统已经经过所述钻井立管的顶端下方，所述钻井立管由滑动装置保持在井中心上方的作业线中，

其中，所述顶部驱动系统实施为使得当顶部驱动系统至少降低到所述钻井立管的顶端下方时，所述钻井立管通过管件排放装置而能够被从作业线移除，主要是在横向方向上通过管件排放装置而能够将所述钻井立管从作业线移除，从而允许将所述钻井立管放置在所述指板装置中，

其中，在绕开模式中，顶部驱动单元位于其缩回位置上，而起下钻操作升降机位于缩回位置上，该缩回位置在对应于顶部驱动单元的缩回方向的方向上远离作业线，

并且其中，在绕开模式中，顶部驱动单元和起下钻操作升降机都从作业线移出到这样的程度，在管件排放装置接合在钻井立管上时，顶部驱动系统能够经过管件排放装置与所述钻井立管接合的位置，该钻井立管由滑动装置保持在井中心上方的作业线中。

本发明还涉及如在此公开的例如附图中所示的钻机、桅杆式井架、顶部驱动系统、托架、排放装置或其组合。

本发明还涉及一种利用钻柱钻井和/或对钻柱进行起下钻的方法，其中使用了如本文所公开的例如附图中所示的钻机、桅杆式井架、顶部驱动系统、托架、排放装置或其组合。例如，该方法包括在钻井与起下钻之间切换的步骤。

附图说明

现在将参照附图以非限制性方式描述本发明，在附图中，相同的部件由相同的附图标记表示，并且其中：

图1以立体图示出了根据本发明实施方案的钻机；

图2以侧视图示出了图1的钻机；

图3以立体图以更大比例示出了图1的钻机的上部；

图4以侧视图示出了图3的钻机的一部分；

图5a至图5b示出了处于绕开模式的图1的钻机的顶部驱动系统；

图6a至图6b示出了处于起下钻模式的图1的钻机的顶部驱动系统。

图7a至图7b示出了处于钻井模式的图1的钻机的顶部驱动系统；

图8a至图8b示出了在经过排放装置时的图1的钻机的顶部驱动系统；

图9a至图11b示出了处于不同位置的图1的钻机的排放装置；

图12至图21示出了借助于图1的钻机的钻柱的起下钻流程；

图22至图33示出了借助于图1的钻机的钻柱的钻井流程。

具体实施方式

图1至图4示出了用于钻探井筒和用于其他井筒相关活动的钻机1，例如，用于非生产性井筒的塞堵和废弃，修井等。

在该示例中，钻机1是由模块组成的移动钻机，这些模块可由公路车辆从一个钻井地点运输到另一钻井地点。然而，本发明及其一些方面也可用于非移动钻机和/或非模块化钻机，例如，具有在海上钻井船的船井上方的塔式井架结构的钻机。

钻机1包括钻塔10，该钻塔10在此实施为桅杆式(mast)井架。在另一个实施例中，钻塔10可以实施为塔式(derrick)井架。

桅杆式井架10具有u形水平截面，其具有左侧桅杆式井架壁11a、后侧桅杆式井架壁11b和右侧桅杆式井架壁11c，并且具有开放的前侧12。

桅杆式井架包括左侧竖直前立柱13a和右侧竖直前立柱13d以及后对角立柱13b、13c。每个前立柱13a、13d通过支杆(这里是水平和对角支杆的组合)连接到相应的后对角立柱13b、13c，以形成桅杆式井架的侧壁11a、11c。后对角立柱13b、13c也通过支架连接。

考虑到钻机1的运输，桅杆式井架10由多个部段组成，包括在桅杆式井架顶部的顶部部段14、在下部的底部部段15以及一个或多个中间桅杆式井架部段16。例如，如在此处，竖直立柱13a、13b、13c、13d设置有连接器构件，以将桅杆式井架部段一个接一个地固定。底部部段15可以在其下端部设置有枢转结构，该枢转结构限定了水平枢转轴线，以允许将桅杆式井架10竖立，该桅杆式井架10优选地在水平状态下组装。

钻机1包括具有井中心21的钻台20。

优选地，滑动装置22设置在井中心21处，例如，具有一个或多个可移动滑动构件的机械化且可远程控制的滑动装置。滑动装置22适于对延伸到井筒中的钻柱或其他管柱进行支撑。

在钻台20上，进一步在靠近井中心21处设置了管件连接上扣和卸扣装置25，例如，铁钻工机器和/或机械动力钳装置。

在该示例中，钻台20以可移动方式设置在钻机的基座结构30上，从而可在一侧的折叠或组装位置与另一侧的相对于基座结构30升高或操作位置之间移动(如图所示)。

图1示出了基座结构，其包括左侧基座构件31和右侧基座构件32，它们分别由两个首尾相连的长形部分31a、31b、32a、32b组成。

在钻台20与每个基座构件31、32(这里是基座构件31、32的部分31a、32a)之间，延伸有两个支腿25a、26a，b，它们可枢转地连接到钻台和基座构件31、32，以形成平行四边形。如果需要，可以在每个基座构件与钻台之间设置更多的平行支腿。

每个基座构件31、32进一步设置有可伸缩液压缸34、35，该可伸缩液压缸34、35可连接到钻台20，以使钻台20在其折叠位置与升高位置之间移动。如果需要，可以为此目的提供另一个电动驱动装置，例如包括绞盘。

图1示出了锁定梁36的存在，以将钻台锁定在其升高位置上。

这些图示出了基座结构(这里是构件31、32)具有移动支脚41、41，其允许处于竖立状态的钻机1在钻井现场上移动，例如从一个井筒移动到相邻的井筒。其示例在本申请人的wo2013/09147中进行了解释。

处于其升高位置的钻台20允许在钻台下方设置防喷器(bop)和/或其他井筒相关设备。

钻机的桅杆式井架、基座结构和/或钻台也可以如本申请人的例如wo2013/133698或wo2014/178712中所描述的那样来实施。

图1还示出了管柱操纵装置50的存在，其适于使管柱在竖直位置(其与穿过井中心21的作业线对齐)与水平拾取位置之间移动。所描绘的设备如本申请人的wo2014/133389中所描述的那样实施，其通过引用并入本文。在另一个实施方案中，例如，管柱操纵装置50可以如本申请人的wo2006/038790中所描述的那样来设计。

图1还描绘了例如在本申请人的wo2013/109148中公开的实施方案中的管柱储箱系统60的存在，具有用于存储和运输钻柱(例如钻杆接头3)的储箱(未示出)，以及用于设置滑杆64，所述滑杆64允许管柱在储箱与管柱操纵装置50之间运动。

桅杆式井架10(在这里是其中间部段16)设置有一个或多个指板装置71、72，其适于存储钻井立管，所述钻井立管由多个钻柱3(这里是三个，作为长度为约90ft的所谓的三重立管)组装而成。

如图所示，左侧指板装置71安装至桅杆式井架的左侧部11a，而右侧指板装置72安装至桅杆式井架的右侧部11c。这些指板装置71、72中的每一个均具有限定狭槽的指状部，该狭槽平行于桅杆式井架的相应侧部延伸并且在指板装置71、72的前侧处开放。

所存储的立管的下端可以支撑在用于立管的未示出的下端支撑构件上。

钻机1进一步包括顶部驱动系统100和竖直运动驱动装置，该竖直运动驱动装置适于引起顶部驱动系统100相对于钻塔10的竖直运动，以便进行钻井和起下钻操作。

首先将参照图5a至图7b讨论顶部驱动系统100。顶部驱动系统100包括：

-移动托架110，其通过竖直运动驱动装置沿设置在钻塔开口12中的竖直前立柱13a、13d上的竖直轨道17、18竖直移动，

-顶部驱动单元120，其由托架110支撑，并包括顶部驱动马达125和旋转扭矩输出构件126(例如旋转杆)，该旋转扭矩输出构件126适于与在穿过井中心21的作业线23中延伸的钻柱的顶端接合，以将扭矩施加到钻柱，从而进行钻井操作，

-起下钻操作升降机150，其适于与钻柱或钻井立管4接合(例如与其顶端接合)，以便进行起下钻操作。

这些图示出了桅杆式井架10的竖直前立柱13a、13d中的每一个都设置有对应的竖直轨道17、18，竖直轨道17、18在其竖直位置是静止的，因此相对于钻塔10是不动的。

托架110设置有轨道从动件111(例如滚轮和/或滑动构件)，使得托架相对于桅杆式井架仅竖直地上下移动，至少沿着待操纵的立管4的高度竖直地上下移动。

一般而言，如以下将更详细地说明的，顶部驱动单元120和起下钻操作升降机150均相对于移动托架110可移动。此外，顶部驱动系统设置有致动器系统，该致动器系统适于引起顶部驱动单元120的相对运动和起下钻操作升降机150的相对运动，从而提供：

-绕开模式(参见图5a、图5b)，

-起下钻模式(参见图6a、图6b)，

-井筒钻井模式(参见图7a、图7b)。

在井筒钻井模式中，顶部驱动单元120处于其操作位置，并且旋转扭矩输出构件126与作业线23对齐。同时，起下钻操作升降机150处于其非操作位置，远离(即离开)作业线23，此处为向前远离作业线23。

在起下钻模式中，起下钻操作升降器150处于其操作位置，与作业线23对齐，并且同时顶部驱动单元120处于其缩回位置，此处为相比于操作钻井模式(例如，相比图6b和图7b)而言，更靠近为c形截面的桅杆式井架的后壁11b。

在绕开模式中，顶部驱动单元120位于其缩回位置，而起下钻操作升降机150位于其缩回位置，该缩回位置在对应于顶部驱动单元120的缩回方向的方向上远离作业线，在此相比操作起下钻模式而言，更靠近为c形截面的桅杆式井架的后壁11b。

如图所示，顶部驱动系统100实施为使得在起下钻模式中在起下钻操作升降机150竖直上方存在无障碍区域，这允许顶部驱动系统沿着钻台20上方的作业线23中的钻井立管4下降，至少使得顶部驱动系统在钻进立管4的顶端下方，例如允许降低到钻台附近。下文将结合图12至图21所示的快速起下钻流程来对此进行更详细的说明。

顶部驱动系统100还实施为使得在起下钻模式中并且在顶部驱动系统至少降低到所述钻井立管的顶端以下的情况下，钻井立管4可从作业线23被移除，主要是从横向方向借助管件排放装置250移除钻井立管4，从而将钻井立管4放置在指板装置71、72中。这允许进行快速起下钻过程。

如图所示，顶部驱动系统100实施为使得在绕开模式下，顶部驱动单元120和起下钻操作升降机150都从作业线23移出到一定程度，使得管件排放装置250接合在钻井立管4上，该钻井立管4由滑动装置22保持在井中心20上方的作业线23中，顶部驱动系统100能够经过所述管件排放装置所接合在所述钻井立管上的位置。下文将结合图12至图21中所示的快速起下钻流程和图22至图33中所示的快速钻井流程来对此进行更详细的说明。

如图所示，顶部驱动系统100在此进一步包括与起下钻操作升降机150不同的钻井操作升降机160，该升降机160适于在处于操作位置的顶部驱动单元120的旋转输出构件126下方将钻柱或立管4保持在竖直定向。

顶部驱动单元120包括支撑顶部驱动马达125的顶部驱动框架121、齿轮装置122以及由轴承支撑的旋转输出构件126。

顶部驱动单元在此进一步包括如本领域中已知的抓取器127和减泥阀129。

框架121通过在托架和框架的左侧部和右侧部的每侧处包括支撑臂131的机构支撑在移动托架110上。这些臂131分别枢转地连接到托架和顶部驱动框架，以形成两个平行且水平的枢转轴线131a、131b。

致动器140(例如液压缸)安装在移动托架110与支撑臂131之间。此处，一个液压缸140安装于托架110的左侧部和相应的支撑臂131处，一个液压缸140安装于托架110的右侧部和相应的支撑臂131处。致动器141(例如液压缸)安装在移动托架110与顶部驱动框架121之间。这里，一个液压缸141安装在托架110和顶部驱动框架121的左侧部，一个液压缸141安装在托架110和顶部驱动框架121的右侧部。

应理解，致动器140、141的适当致动使得顶部驱动单元120相对于托架110在桅杆式井架10中更向内的位置(更靠近桅杆式井架的后壁11b)(如图5a至图6b所示)与更向前的位置(在该位置上旋转输出构件126与作业线23对齐，如图7a、图7b所示)之间移动。优选地，即使在所述更向前的位置上，顶部驱动单元120的主要部分仍在桅杆式井架10的轮廓内。

托架包括具有结构框架，其具有左侧托架框架构件110a和右侧托架框架构件110b，左侧托架框架构件110a和右侧托架框架构件110b通过一个或多个横向框架构件110c互相连接。这些一个或多个横向框架构件向作业线23的后方延伸，以提供上述的无障碍区域，从而允许将立管沿向前的方向被横向移除。

如图所示能够设想，优选地，作业线23包含在竖直平面p中，该竖直平面p在桅杆式井架10的前立柱13a、13d之间延伸，可能在导轨17、18之间延伸，以减小任何扭转载荷。

起下钻操作升降机150通过右侧连杆151和左侧连杆151或吊杆以及通过右侧连杆152和左侧连杆152悬吊，右侧连杆151和左侧连杆151或吊杆分别在其上端从相应的枢转升降机支撑臂153连接，该枢转升降机支撑臂153绕水平枢轴线131a可枢转地连接至托架110，右侧连杆152和左侧连杆152分别在其上端可枢转地连接至托架110。

致动器142(例如液压缸)安装在顶部驱动框架121和连杆151之间。此处，一个液压缸142安装于顶部驱动框架121的左侧部和相应的连杆151处，一个液压缸142安装于顶部驱动框架121的右侧部和相应的连杆151处。

应理解，致动器142的适当致动使得起下钻操作升降机150相对于顶部驱动框架在桅杆式井架10中更向内的位置(更靠近桅杆式井架的后壁11b)(如图5a、图5b所示)与更向前的位置(在该位置上起下钻操作升降机150与作业线23对齐，如图6a、图6b所示)之间移动。

如图所示，升降机支撑臂153均与相应的支撑臂成一体，在此为位于托架110的右侧部和左侧部的上部支撑臂131，从而每对臂153和臂131形成绕水平轴线131a枢转的一体式臂构件，而一体的臂153和131分叉。

将一对臂131、153集成为一件式的一体枢转臂构件是一种方式，用以实现顶部驱动单元120和起下钻操作升降机150机械地连接，从而在操作一个或多个致动器140、141时一致地移动，用于在所述钻井模式、所述起下钻模式和/或所述绕开模式之间切换。

应当理解，通过基本上起下钻升降机150在顶部驱动系统100中永久存在，即使在处于钻井模式或绕开模式时不使用的情况下，也可以在钻井模式与起下钻模式之间进行快速而有效的切换。因此，在进行切换时不需要安装起下钻升降机150，这对于工作人员的需求而言是有利的。

在一个实施方案中，提供了例如可远程控制的一个或多个止动装置，以在钻井模式和起下钻模式下将顶部驱动单元和/或用于起下钻升降机的支撑件相对于移动托架110固定。例如，在托架上提供一个或多个可移动的止动构件，例如销，其接合在一个或多个支撑臂中的相应的孔中。

当然，例如，当操纵不同尺寸的管柱需要不同的起下钻操作升降机时，可以设想，起下钻操作升降机可以以可更换的方式设置。例如，如本文所讨论的，则可以使用在排放装置250上的绞盘来提升和操纵相当重的升降机150。在一个优选实施方案中，如本文所讨论的，升降机150具有适合于要操纵的所有可设想到的管柱直径的主体，例如仅需要更换或调节一个或多个锁定构件以适应特定的直径。

附图示出了起下钻操作升降机150包括在俯视图中为c形的主体，该c形的主体具有穿过升降机主体的横向开口(例如向前开口)的竖直通道156，所述竖直通道156的尺寸设计成，当托架110在起出钻过程中降低时，允许升降机主体沿作业线中的钻井立管4无阻碍地通过，即清空钻井立管上由钻井立管的一个或多个连接器形成的任何直径扩大的部分。

附图进一步示出，该升降机150包括一个或多个可移动的(这里是两个可枢转的)锁定构件157，这里锁定构件157是位于竖直通道的相对的侧部上，在锁定构件157的留隙位置上(参见图15的细节)允许在起下钻中托架110下降期间直径扩大的部分通过，在锁定位置上(参见例如图5a)锁定构件157接合在由管柱的这种直径扩大的部分(例如连接器(例如螺纹连接器))形成的肩部下面，以便允许管件(更具体的是管柱)被提升。

如例如在图5a中可以看到的，可以在起下钻操作升降机150上设置两个锁定构件157，每个锁定构件157绕水平轴线可枢转，例如每个锁定构件157都具有面向管柱端，该面向管柱端具有适合于所操纵的管柱的直径的半圆形凹部。可以为每个锁定构件设置致动器，例如允许对锁定构件进行远程控制。

示出了钻井操作升降机160，其均匀地从连杆或吊杆161悬吊，连杆或吊杆161在此从顶部驱动单元120可枢转地悬吊。

如本领域中已知的，钻井操作升降机160包括环形升降机主体162，该环形升降机主体162可以打开以允许将管柱引入升降机中，然后关闭以形成围绕管柱的闭合环形主体，例如，设置用于远程控制钻井升降机主体的打开和关闭的致动器。如本领域所公知的，闭合环形升降机主体可以接合在由管柱的直径扩大部分(例如连接器，例如管柱的端部处的螺纹连接器)形成的肩部下面。

如本领域中已知的，设置致动器163(例如液压缸)以引起连杆161的受控倾斜。

为了使移动托架110沿着桅杆式井架10上下移动，桅杆式井架顶部部段设置有定滑轮组件，该定滑轮组件具有左侧滑轮组211和右侧滑轮组212，这些滑轮组从桅杆式井架的前方看彼此间隔开，从而在两个滑轮组之间存在在前部开放的开口，作业线23穿过该开口。

滑轮组211、212具有水平轴线，该水平轴线大体上平行于平面p并在平面p中或接近平面p(在这里以小角度接近)。在滑轮组211、212之间的所述开口的后部，更向后的设置有定滑轮的平衡滑轮213。

移动托架110设置有带有滑轮的左侧滑轮组215和右侧滑轮组216，从桅杆式井架的正面看，这些组滑轮彼此间隔开，从而在两个滑轮组之间存在前部开放的开口，作业线23穿过这个开口。

如图所示，滑轮组215安装在框架构件110a的顶部，滑轮组216安装在框架构件110b的顶部。

移动托架110上的滑轮也可绕水平滑轮轴线旋转。

钻机1设置有一个或多个(在这里是两个)绞车绞盘217、218；基座结构的每一侧上各有一个绞车绞盘。两个绞盘217、218在此都连接到单独一个绞车缆索219，该缆索沿桅杆式井架的右侧和左侧(此处沿着相应的前立柱13a、13d的内部)在上述为两个多辘绳组方式的滑轮上绕过，以使移动托架110从定滑轮悬吊。

如图所示，设想与移动托架110相关联的滑轮215、216中的一个或多个可分别集成在相应可拆卸的滑轮组中，该相应可拆卸的滑轮组例如通过操作室的远程控制可单独地连接到托架110和从托架110拆卸，其在拆卸时可以例如通过操作室的远程控制而被锁定(和解锁)在定滑轮的相应滑轮组下方的升高位置上。这允许改变悬吊所述托架的辘绳的有效数量，例如，在载荷需求受到限制的情况下允许更快的操作，并且当要处理较高载荷时允许增加的辘绳的有效数量。

如所解释的，左侧指板装置71安装到桅杆式井架的左侧部11a，而右侧指板装置72安装到桅杆式井架10的右侧部11c。如图所示，每个指板装置具有限定狭槽的指状部，该狭槽平行于桅杆式井架的相应侧部延伸并且在指板装置的前侧部处开放，以允许从指板横向引入和移出立管。

如图所示，钻机包括管件排放装置250，该管件排放装置250包括一个或多个可移动的管件夹持器组件，其适于夹持管件或立管4，并使管件或立管在指板装置71、72与作业线23之间移动。

管件排放装置250包括结构框架400，其由桅杆式井架10支撑(主要支撑在桅杆式井架10的前侧)在桅杆式井架10上的相对于钻台20的升高位置处。

在该示例中，结构框架400经由从左侧指板装置71和右侧指板装置72向前延伸的相应悬臂401、402而分别连接到左侧指板装置71和右指板装置72。

从图3中可以看出，结构框架400包括一个或多个水平轨道254、255，所述一个或多个水平轨道254、255横跨桅杆式井架10的前侧部和指板装置71、72的前侧部延伸。

现在将参照图9a至图11b更详细地描述排放装置250。排放装置250包括可移动的管件夹持器组件251，可移动的管件夹持器组件251由所述一个或多个轨道254、255引导并且设置有一个或多个夹持器252、253，并适于夹持立管4，并使立管在指板装置71、72与作业线23之间移动。

在该示例中，组件251包括竖直承载梁256，该竖直承载梁256由一个或多个轨道254、255支撑，以允许在所述一个或多个轨道254、255上沿x方向移动。该组件进一步包括竖直承载梁407，以支撑夹持器252、253。竖直承载梁407主要平行于竖直承载梁256延伸。

竖直承载梁407通过支撑梁408连接到垂直承载梁256，支撑梁408的一个端部可枢转地连接到竖直承载梁407(由位置a表示)，并且在相对的端部可滑动地连接到竖直承载梁256。为此，支撑梁408在竖直承载梁256的任一侧上设有引导轮409，其中，引导轮409被容纳在相应的引导凹部256a中。

支撑梁408经由支撑梁410进一步连接至竖直承载梁256，支撑梁410可枢转地连接至竖直承载梁256(由位置b表示)并且可枢转地连接至支撑梁408(由位置c表示)。

竖直承载梁407经由两个串联布置的支撑梁411、412连接到竖直承载梁256。因此，支撑梁411的一个端部可枢转地连接到竖直承载梁256(由位置d表示)，并且支撑梁412的一个端部可枢转地连接到竖直承载梁407(由位置e表示)，而支撑梁411、412的相对端部彼此连接(由位置f表示)。

在位置c与位置f之间，设置有两个致动器413，例如液压缸。组件251进一步构造成使得位置b与位置c之间的距离等于位置d与位置f之间的距离，使得当由两个致动器413设定的位置c与位置f之间的距离等于位置b与位置d之间的距离时，由竖直承载梁256、支撑梁410、411和两个致动器413形成平行四边形。因为在此实施方案中，位置c与位置a之间的距离等于位置e与位置f之间的距离，所以在沿着引导凹部256a的引导轮409的全部位置上(即在支撑梁408的全部定向上)，竖直承载梁407保持与竖直承载梁256平行。

组件251进一步设置有在竖直承载梁256与支撑梁410之间的两个致动器414(例如液压缸)，以允许支撑梁410相对于竖直承载梁256设定定向，从而允许在图9a、图9b的缩回位置与图10a、图10b的伸出位置之间在正交于x方向的y方向调整包括夹持器252、253的竖直承载梁407的位置。优选地，位置e与位置f之间的距离、位置d与位置f之间的距离、位置a与位置c之间的距离、位置b与位置c之间的距离以及位置c与引导轮409之间的距离都彼此相等，这样就可以实现在y方向上移动而无需在z方向上也进行移动。更优选地，位置c与引导轮409之间的距离小于位置b与位置d之间的距离的一半。

如图11a和图11b所示，致动器413可用于使竖直承载梁407相对于竖直承载梁407倾斜。

竖直承载梁256可枢转地连接到推车420，以绕枢轴线421枢转。推车421设置有多个与轨道254、255接合的轮子422，以沿着结构框架400引导组件251。已经设置了致动器423(例如液压缸)，从而使竖直承载梁256(包括与其连接的所有部件)相对于推车在图1至图4所示的操作竖直位置与平行于结构框架400的运输位置之间移动。

图3和图4示出了钻塔(此处为u形水平截面桅杆式井架10)，在钻塔的顶部处设有辅助起重机300，该辅助起重机300具有固定至钻塔的基座301和起重机吊臂302，所述起重机吊臂302通过竖直轴向转动支承部303而连接到基座301，从而允许吊臂转动，例如大约转动一整圈。

辅助起重机300包括绞盘305和用于升降物体的绞盘驱动缆索306。辅助起重机实施为使得绞盘驱动缆索306可以在顶部驱动系统110的起下钻模式下沿着作业线23竖直地向下经过到井中心21，从而允许使用辅助起重机300在井中心21处或井中心21附近或朝向井中心21和远离井中心21进行提升操作。

在此示出了，辅助起重机300是吊杆或悬臂起重机，其中，吊臂302永久地在水平方向上延伸，并且其中滑车308沿着吊臂可移动，其中滑车设置有滑轮。滑车308至少是可定位的，从而使绕过滑轮的绞盘驱动缆锁306与作业线对齐，并且位于远离所述作业线位置的位置。滑车还可以用绞盘驱动缆索支撑绞盘。

参考图12至图21，将描述使用图1的钻机的方法，特别是用于从井筒中起出钻钻柱的方法。

在图12中，描绘了一种情况，其中，钻柱7通过滑动装置22悬吊在井筒中。管柱7的顶端突出在滑动装置上方，该顶端(在本领域中是常见的)设有直径扩大的连接器，例如螺纹连接器，例如螺纹箱端部。

顶部驱动系统100处于所描述的起下钻模式，如图6a、图6b所示，并且已经降低了移动托架110以使起下钻操作升降机150处于初始接合水平，其中，起下钻操作升降机150与悬吊的管柱7的顶端连接。

如图13所示，为了起出钻，滑动装置22已经释放管柱7，并提升托架110，以便通过升降机150在井中心21上方拉起立管4。在该示例中，三重长度立管4被拉起，但是这也可以是双重立管4或形成立管4的一些其他数量的管柱。

应注意的是，在起出钻期间，包括管件排放装置250的夹持器252、253的竖直承载梁407处于远离立管4的缩回位置，因此不会干扰立管4的起出钻。

在图14中，整个三重立管4已经通过升降机150被拉起到井中心21上方，并且进行操作滑动装置22以与管柱7重新接合(在立管4下方)，从而管柱7(仍然包括连接的立管4)被竖直地保持。

在图15中，排放装置250的两个夹持器252、253都与立管4接合，例如，在实际断开连接之前夹持器252、253已经环绕和/或夹持立管4。此外，起下钻操作升降机50沿着立管4向下滑动以与立管4的顶端脱离，并允许所述升降机通过移动锁定构件157而打开到如图15所详细示出的竖立位置。

在图15中还示出了管件连接上扣和卸扣装置25，其从如图12所示的停放位置行进至如图15所示的井中心位置，以便操作从而断开连接立管4与由滑动装置22悬吊的其余钻柱之间的连接。

图16至图18描绘了托架110朝着起下钻操作升降机150的初始接合水平下降的各个阶段。在图16中，顶部驱动系统100仍然在排放装置250的夹持器252、253上方，并且夹持器252、253已经接合在立管4上。为了经过排放装置与立管4接合的位置，在升降机150处于如图5a和图5b所示的缩回位置的情况下，将顶部驱动系统置于绕开模式，其中顶部驱动单元和起下钻操作升降机150均从作业线中移出到这样的程度，在管件排放装置接合在立管4上时(该立管4由滑动装置保持在井中心上方的作业线中)，顶部驱动系统能够经过管件排放装置与立管4接合的位置，如图17所示。图17中的情况在图8a和图8b中更详细地描绘，图8a和图8b中仅描绘了顶部驱动系统100同时经过接合在立管4上的组件251。

在图18中，顶部驱动系统100已经经过所述排放装置与立管4接合的位置，使得顶部驱动系统可以在升降机150处于其操作位置的情况下返回到起下钻模式，如图6a、图6b所示。

在降低顶部驱动系统的过程中，操作所述装置25用以断开连接立管4与其余钻柱之间的连接。在图19中，在顶部驱动系统的托架到达与起下钻操作升降机150的初始接合水平相对应的位置之前，装置25移回到停放位置。

在图20中，可以升高所夹持的立管4以完成断开连接，并允许排放装置将立管横向(例如，沿向前方向)移出升降机150，并将立管存放在指板71、72中。由于锁定构件157处于竖立位置，即留隙位置，因此有足够的间隙用于将立管移出升降机150。

托架110的下降优选地在不停顿的情况下完成，并且最后升降机与立管4一起从作业线中移除，到达悬吊的管柱7的顶端部并例如通过将锁定构件157关闭而与悬吊的管柱7接合(如图21所示)，以允许将下一个立管提升到井中心21上方。

所描述的流程的优点在于，排放装置能够夹持立管4，而不必等待顶部驱动系统下降超过排放装置。因此，可以更早地开始将立管4断开连接，从而减少了起下钻过程的时间。

应理解，在其中采用的装置的操作可以全部由一个适当编程的计算机控制器来协调，从而整个起下钻过程或至少管柱起下钻的很大一部分可以以自动化方式完成，例如，在操作室500的一个或多个操作者的监督下，例如可以在桅杆式井架前侧进行观察的情况下。因此，优选地，如上所述的起下钻操作涉及的所有设备都连接到中央计算机控制单元，该中央计算机控制单元被编程为全自动地执行起下钻操作，至少执行钻柱7的主要部分的起下钻操作。可以设想，在这样的全自动起下钻流程中，操作室500中的一个或多个操作者仅用于监督该过程并在异常情况下做出响应。在半自动流程中，一个或多个操作者可以通过一个或多个输入设备给出一些命令，这些命令使该流程的一部分开始。

应当理解，起出钻是快速完成的，这是因为以下步骤中的至少一个在时间上是与托架110的降低重叠进行的：

-通过位于井中心附近的管件连接上扣和卸扣装置25将提升的立管4与悬吊的钻柱断开连接，

-主要沿横向方向从作业线中移除断开连接的立管4，这里是通过排放装置250，

-将钻井立管放置在所述指板装置中，这里是通过排放装置250。

例如，一旦升降机150已经将立管4提升，就可以使夹持器抓夹持立管4，并且可以操作装置25从而通过断开连接立管4的下部连接来将立管4断开连接。一旦断开连接，优选地在升降机150仍在下降的情况下，就操作排放装置以使立管移动远离作业线23。后者可以包括对一个或多个锁定构件157的远程控制操作，以允许立管横向地移出仍在下降的升降机。然后，排放装置250可以继续将立管4放置在指板71、72中，并且可以将升降机降低到下一立管的顶端上方以将其拉出。

技术人员应理解，所描述的钻机还允许有效且快速的下钻，这基本上以与起出钻相反的顺序进行。

参照图22至图33，将描述图1的钻机的另一种使用方法，特别是用于将钻柱钻入井筒中的方法。

在图22中，描绘了如下一种情况，其中，钻柱7通过滑动装置22悬吊在井筒中。管柱7延伸到排放装置250上方。管柱7的顶端部分(其通常设置有直径扩大的连接器)通过顶部驱动系统100的顶部驱动单元而接合，该顶部驱动系统处于如图7a、图7b所示的井筒钻井模式中，在井筒钻井模式中，旋转扭矩输出构件与作业线23对齐，并且升降机150、160处于远离作业线的非操作位置上。

释放滑动装置22，并且随后，操作所述顶部驱动单元以将扭矩施加到管柱7，以便执行钻井操作。在这些钻井操作期间，如图23所示，管柱7以及因此顶部驱动系统降低到刚好位于钻台20上方，即紧邻钻台。同时，排放装置250已经从指板装置71、72中的一个获得了钻井立管4。

为了在钻井期间释放在管柱7中建立的一些张力，顶部驱动系统100缩回预定距离至预定水平(例如对应于关于起下钻过程所提到的初始接合水平)，以允许滑动装置与管柱7重新接合。这在图24中进行了描述。然后，顶部驱动系统100从管柱7的顶端部脱离，并且开始上升到如图25所示的排放装置250的上方。

在图26中，在升高顶部驱动系统的同时，首先使顶部驱动系统进入起下钻模式，在该起下钻模式中，顶部驱动单元移动到缩回位置，并且起下钻操作升降机移动到操作位置。随后如图27所示，顶部驱动系统进入绕开模式，允许在排放装置将立管4置于图28所示的作业线23中的时候经过排放装置250，同时。一旦将立管4置于作业线23中，就可以将装置25从停放位置移动到井中心位置，以便将立管4连接到管柱7，如图29所示。

在图30中，顶部驱动系统100已经经过排放装置，并且可以通过如图30所示的起下钻模式回到井筒钻井模式(如图31所示)。在图32中，顶部驱动单元连接至管柱7的顶端部，并且装置25移动回到停放位置。在图33中，排放装置已经从管柱7上脱离，导致了与图22所示的类似情况。