专利名称：钻杆的停止和自动操纵设备及相关钻孔机的制作方法
技术领域：
本发明涉及钻杆操纵设备以及用于地面钻井的额外工具的领域；详细地，本发明涉及钻杆的停止和自动操纵设备。本发明也涉及与上述设备相关的钻孔机。
背景技术：
已知的是，欧洲专利EP1158136号中公开了钻杆的停止和操纵设备，该文献公开了一种方案，其中，钻杆的存储装置包括沿圆弧或半圆径向定位的容器。但是，欧洲专利EPl 158136号公开的解决方案存在一些缺点。首先，钻杆的容器的数量以及容器的存储量受到半圆形结构的限制。此情况下，实际上，容器的每个部分均在径向上布置，容器本身的所有横轴都经过自动操纵臂的旋转中心。因此，如果想要增加存储在存储装置中的钻杆数量，就必须扩大半圆形结构。但是，半圆形结构的扩大根本不可能随意地控制。实际上，随着半圆形结构的扩大，还必须增加操纵臂的臂的水平移动幅度，该操纵臂牵拉钻杆以及使钻杆定位在容器中。为了让臂触及存储装置的杆容器中的杆，臂要伸展至臂的确定的长度，一旦臂完全缩回时，该臂将撞击位于径向相对方向上的容器，因而，存在局限性。第二，容器位于钻孔机前方的布置要求井(钻杆插入该井中)前方具有自由空间。如果容许设备在排成列的井(所谓的丛式井)上操作，那么就不可以采用这种布置，因为这样将会相对于一个井关闭另一个井。
发明内容
本发明的目的是，描述了一种钻杆的停止和自动操纵设备，这种设备不会出现上述麻烦的情况。本发明的目的还在于，描述了一种钻孔机，该钻孔机不会出现上述缺陷，并且该钻孔机装配有根据本发明的钻杆的停止和自动操纵设备。根据本发明，实现了一种权利要求1请求保护的钻杆的停止和自动操纵设备。根据本发明，还实现了一种钻孔机，其包括根据本发明的钻杆的停止和自动操纵设备，如权利要求11所请求保护的那样。
现在将参照附图描述本发明，这些附图示出了实施例的非限制性实例，附图如下:-图1示出了根据本发明的第一实施例中的钻杆的停止和自动操纵设备的侧视图；-图2示出了根据本发明的钻杆的存储装置的传送装置的透视图；-图3示出了图2中的传送装置的一部分的平面图；-图4示出了图2中的传送装置的中央结构的平面-图5示出了图4中的中央结构的侧视图；-图6示出了图1中的传送装置的传动链和相关齿轮；-图7示出了根据本发明的钻杆容器及其操纵托架；-图8示出了图7中的钻杆容器的支撑托架的细节部分；-图9示出了用于钻杆的安全系统，所述钻杆容纳在图7中所示的容器中；-图10示出根据本发明的钻杆操纵臂的细节部分；-图11和12分别示出了根据本发明的钻杆的停止和自动操纵设备的第二实施例的整体和细节部分的透视图，其中该设备与钻孔机相关联；以及图13示出了钻杆操纵系统的第二实施例的细节部分，该操纵系统包括在本发明的设备对象中。
具体实施例方式参照图1,钻杆的停止和自动操纵设备总体上用标记10表示。钻杆的停止和自动操纵设备10包括钻杆40的容器30的传送装置20 ;传送装置20还包括由多个底部元件21 (或底部平台)形成的基底，所述底部元件定位在一个下部区域中，该下部区域将所述传送装置与地面分隔开。如图2和图3详细所示，传送装置20还包括金属木工的内部结构22，使用过程中，该内部结构沿第一轴线Z相对于地面垂直延伸，其目的是用来支撑多个容器30。因而，传送装置20界定了闭合路径，所有容器30径向地布置在该闭合路径周围。如图4、5、6详细所示，传送装置20还包括传输组23，该传输组用于操纵钻杆40的容器30，所述容器不再沿圆周径向布置，而是沿椭圆形路径布置，从而确定了传送装置20的最大伸展方向A，使传送装置具有两个平直侧以及两个半圆形端部，还确定了由传动链23a界定边界的典型的路径，该传动链通过齿啮合的方式啮合到一对齿轮23b、23c上，该对齿轮相对并分别安装在内部结构22的左、右侧端22s、22d的对应位置上。底部元件21是木工结构，其尺寸正好便于这些底部元件的输送，底部元件在安装期间通过销相互连接。每个底部元件21均定位在至少一个基梁24上，从而实现了一种滑动平移(滑移)系统。先采用加固混凝土板使得地面平整，然后使基梁24直接靠在该地面上，以便保证传送装置20自身的正确运行，并避免对传输组23施加过载。通过采用加固混凝土而使得地面平面化，可确保容器30相对于地面的垂直定位。内部结构22借助于螺栓抵靠并紧固到底部元件21上，内部结构包括中央主体部分、第一半圆形头部和第二半圆形头部，第一半圆形头部与中央主体部分本身成一体形成，第二半圆形头部与第一半圆形头部相对并且该第二半圆形头部相对于中央主体部分的间距能被调节。如图6所不,传输组23包括已述的传动链23a,传动链23a相应地卩齿合在第一齿轮23b和第二齿轮23c上,第一齿轮和第二齿轮分别安装在内部结构21的第一半圆形头部和第二半圆形头部的相应位置上，从而导致第一齿轮和第二齿轮定位在内部结构21自身的更高的水平延伸部的轴线的端部。因而，第一齿轮23b和第二齿轮23c都绕平行于轴线Z的、各自的轴线旋转。虽然传动链23a可以是不同类型，但是该传动链优选为滚子链。
另外，传输组23还可包括第二传动链和第三传动链23a，它们也被定位成啮合在与第一齿轮23b和第二齿轮23c同轴安装的齿轮上。传动链的最终数量将根据钻杆40的容器30的尺寸和重量以及数量而定。头部对应的位置上还具有齿轮马达27，齿轮马达还包括由逆变器和减速器操作的电马达，电马达通过输出轴连接到小齿轮上，小齿轮进而又与齿轮接合。如图7和图8(图8示出了图7中的托架的细节部分)更详细所示，多个托架50定位在处于中央的内部结构21的整个周围，该托架能支撑钻杆40的容器30。每个托架50均包括:-带有平面矩形凸缘的元件，该元件用于接合到至少一个传动链23a上，每个带有平面的矩形凸缘的元件均包括多个后翼，每一个后翼均插入传动链23a的相应的接合部中；-多个导向轮52，它们沿垂直于轴线Z的轴线旋转，并且还接合在被刚性地限制到传送装置20的内部结构22的结构中；-相应的鞍状结构或L形结构60，使用过程中，所述鞍状结构或L形结构沿平行于轴线Z的第一方向朝更高位置伸展，该鞍状结构或L形结构具有底座61，该底座位于由垂直于轴线Z本身的一对轴线确定的平面上。鞍状结构60能够紧固钻杆的容器30，优选但非限制性地，容器分成两部分，每部分容纳数量相等的钻杆40。如果容器30能容纳两排或更多排钻杆，那么这些排是平行的。在每个容器30的顶部的相应位置上具有一对防坠落装置70，对于每排钻杆，防坠落装置的数量至少是一个。每个防坠落装置包括旋转臂71，该旋转臂绕水平轴线旋转并具有配重，旋转臂的一个第一端的对应位置上具有辊子，辊子宽度等于钻杆40的直径。防坠落装置包括第一使用位置和第二使用位置，通过旋转臂71的旋转可使防坠落装置70任选地配置在第一使用位置和第二使用位置之间的选定位置上。当旋转臂71定位在第一使用位置(第一高度位置)时，可以抽出杆；反之，当旋转臂定位在第二使用位置(比第一高度位置低的第二高度位置处)时，旋转臂阻止钻杆40从容器30中抽出。由于传输组23的致动，托架50运动，然后钻杆的容器运动，此时，所有旋转臂71均位于第二使用位置。另一方面，当其中一个容器30定位在对应于钻杆40的抽出位置或存储工作台位置(在该位置存在后面将详细描述的操纵系统100)处时，液压操作打开系统80通过将旋转臂71定位在第一高度对应位置上而使旋转臂打开，从而从各相应容器30中输出钻杆40。需要明确说明的是，在图2中所有防坠落装置70均处于第一使用结构形态，这仅仅是为了有效说明，但是这种状态在操作上不可实现。如图9详细所示，液压操作打开系统80包括沿平行于轴线Z的轴线定位的杆81，借助于多个可加载的顶部装置82将该杆保持在该方位上。杆81顶部上的钩结构83可与旋转臂71的一部分可释放地接合，从而旋转臂71可在第一使用位置和第二使用位置之间转换。钻杆的停止和自动操纵设备10还包括图1所示的钻杆操纵系统100，图10中更详细示出了该钻杆操纵系统，钻杆操纵系统的第一实施例如下所述。钻杆操纵系统100包括:-格构支撑柱110，该格构支撑柱设置在钻孔机上且具有底部平台，底部平台装配有用于允许操纵臂101旋转的第五旋转轮，该操纵臂包括绕平行于轴线Z的轴线布置的可伸展的缩放装置；-一对导引件111，该对引导件定位在格构支撑柱110内侧；-滑动托架120，该滑动托架能够在导引件上平行于轴线Z运动，从而使整个操纵臂101竖向滑动；-用于提升和降低托架的机构；-夹钳组104，该夹钳组被限制到缩放臂上，并具体位于一个外端的对应位置上。在第一实施例中，本发明的钻杆的停止和自动操纵设备10体可被安装在如图1所示的那种钻孔机上，因而其中钻井500的前部没有空间限制。钻杆的停止和自动操纵设备安装在钻孔机上的目的是:增加储存在传送装置20内的钻杆40的数量，在从容器30抽出杆、直到将钻杆插入钻井500的井口装置的周期中，同样也在将钻杆从井抽出而朝容器30输送的周期中，保持良好的速度。在图1中所示的公知类型的钻孔机装配有井架或伸缩杆510，一托架沿所述井架或伸缩杆滑动，托架包括横向伸展的伸缩装置。钻孔机还包括头部520，该头部能相对于轴线Z垂直运动，从而交替地定位于钻井500的井口装置和平行于钻井500的辅助井530之间。辅助井530在技术上称之为小鼠洞，液压虎钳540定位于辅助井上方用于使钻杆40相对于地面保持在预定高度位置处。钻孔机还配置有动力钳，动力钳的用途是旋紧或松开以组的形式定位在井500内的钻杆40。在该钻孔机中，杆操纵系统100定位在辅助井530前方，该杆操纵系统的臂的轴线与钻孔机的纵轴线重合。钻杆40的容器30的传送装置20可平行于钻孔机的纵轴线或垂直于钻孔机的纵轴线定位。使用过程中，从容器30抽出钻杆40的周期以如下所述方式执行。第一阶段。在第一阶段中，传送装置20保持静止不动，钻杆40的容器30的一个部分恰好定位在杆操纵系统100的对应位置处。第二阶段。操纵臂101恰好处于与存储在容器30中的钻杆40排共轴线。第三阶段。操纵臂101伸展，直到夹钳进入与杆相接触的状态。第四阶段。此时，夹钳闭合，托架102 (操纵臂被限制在该托架102上)平行于轴线Z上升一段短距离，从而将钻杆40从支撑平面上拆卸下来。第五阶段。操纵臂收回、根据容器30的布置旋转(优选旋转90°或180° )并与辅助井530对准。第六阶段。操纵臂伸展，直到钻杆40位于小鼠洞的竖直轴线上。第七阶段。此时，操纵臂101的托架下降，从而将钻杆插入辅助井530的井孔中。钻杆的最终位置使得上部工具接头从探测平面突出预定高度(在非限制性的情况下，突出
1.5米闻)。
第八阶段。由动力负载控制设备(PLC)控制的自动程序现在将处于打开状态的液压虎钳540关闭。钻杆40悬置在辅助井530上方，操纵臂的钳打开，且该操纵臂收回。此时，操纵臂旋转，直到其位于收回工作台的对应位置以做好抽出另一钻杆40的准备。同时，使所述头部520位于辅助井530上，然后使头部降低，直到螺纹端成功地旋紧到于辅助井530上存在的杆上。第九阶段。操作者打开辅助井530的液压虎钳540并开始提升所述头部，从小鼠洞抽出的杆现在钩在该头部上。最后，执行使操纵臂101的伸缩装置缩回的操作，使头部520和钻杆与主钻井500的中心轴线共轴线。第十阶段。该第十阶段使得从辅助井530收回的钻杆40连接到钻杆排(battery)550上，该钻杆排悬置在井中央的楔上。通过动力钳提供该连接所需的紧固转矩。此时，操作者提升钻杆的自动锁定楔，然后将整个钻杆排悬挂到头部520。第十一阶段。此时，执行在井500中下降的操作。同样，当钻杆的上部工具接头从探测平面突出预定高度(仅作为非限制性的例子，例如突出1.5米高)时，停止下降操作。因而，自动锁定楔将立即被插入以支撑由钻杆形成的完整的钻杆排。现在头部520为另一周期做好了准备。钻杆从井520中抽出以让钻杆连续储存在容器中这一周期的操作次序正好与前述次序相反。本发明的操纵系统100也可安装在不同类型的钻孔机上。特别地，图11中所示的钻孔机的第二实施例与前述实施例的不同之处在于，第二实施例中具有多个串联的主井500 (或丛井)，会对钻孔机本身强加一些实现上的限制条件，也会对本发明的钻杆10的相关停止和自动操纵设备强加一些实现上的限制条件。特别地，图11中所示的钻孔机不再如前述那样能使用辅助井530或小鼠洞前方的任何空间，准确地说这是因为存在多个串联布置的钻井500。特别地，本发明的钻孔机的第二实施例可用于开采地热类流体用井，其中，井口装置560安装在每个主井500上方，井口装置带有的输送阀的总尺寸会与传统钻孔机产生干涉。因此，该第二实施例中的钻孔机首先要被提升到“井口装置”(流体或气体的阀输送系统)的现有总尺寸上方。接着，钻孔机必须平移到井500上(该钻孔机必须插到该井上)，然后该钻孔机必须从一个井平移到另一个井。因此，本发明的钻孔机的第二实施例包括子结构，其特征在于:-纵向布置在井500侧部上的底部元件；-钻孔机底部的至少两个提升横梁；-四个支柱，每个支柱配置有提升伸缩缸。安装期间，在伸缩缸的帮助下，本发明的钻孔机首先通过前、后横梁被提升到一定高度处。然后，通过销来机械锁定这些横梁，之后，进行最终校平以使井架510的竖直度准确。此情况下，不再在地层中布置辅助井530，位于一井和另一井之间的杆容纳构件531代替了该辅助井。从容器30抽出的钻杆40然后可被降低直到该钻杆位于地面上，但是该钻杆不能再被插入地层中。
在第二实施例中，容器的传送装置20平行于钻孔机的纵轴线布置，将传送装置定位成，用于抽出/存储至少两个井500上的钻杆。当钻孔机在连续的井500上平移时，钻孔机会改变抽出/存储工作台的位置，即，其改变从其中抽出钻杆40的容器30，但是传送装置位置不发生改变。因而，在实现从一个井到另一个井操纵钻孔机的过程中，由容器30的传送装置20确定的路径必须足够长以在不需操纵传送装置20本身的情况下允许钻杆从至少两个不同的抽出工作台抽出(因而，允许钻杆从不同的两排容器30之间抽出，或，从两个或更多个不同容器30之间抽出)。操纵系统100设置在杆容纳构件531附近。操作系统的操纵臂101从零位置开始进行一般性的旋转，旋转角度大于平角(>180° );在该零位置，操纵臂101的水平伸展轴线B与钻杆40的第一容器30重合。与前述钻孔机实施例不同之处在于，此情况下，钻杆在从容器30中抽出以定位在杆容纳构件531内期间的竖直移动量更有限。由于这种竖直移动量减小，因而，就不再需要塔来提升操纵系统100，而仅让操纵臂101的末端配置有滑动件102，就能使抽出钻杆40的钳实现平行于轴线Z的竖直移动。在抽出杆、然后将杆存储在杆容纳构件531的操作过程中，臂执行旋转运动，以将从第一容器30抽出的钻杆40带到杆容纳构件531中。钻杆40从容器30中抽出、直到钻杆插入井500中这一典型周期包括以下阶段。第一阶段。传送装置20保持静止不动，钻杆40的其中一排容器30位于操纵臂101的对应位置上。第二阶段。操纵臂101本身与被储存的钻杆排完全共轴线。第三阶段。操纵臂101伸展，直到夹钳开始接触钻杆40。第四阶段。此时，夹钳闭合，其上限制有夹钳的滑动件上升一段短距离，以将钻杆从支撑平面上拆卸下来。第五阶段:操纵臂101收回、进行旋转运动，以使该操纵臂与杆容纳构件531对准。该操纵臂伸展，直到钻杆位于杆容纳构件531的竖直轴上。夹钳的滑动件现在下降，以将钻杆40插入定位于地面水平面处的钻杆保持装置570中。钻杆的端部位置使得上部工具接头从探测平面突出预定高度。第六阶段。由动力负载控制设备控制的自动程序现在开始闭合小鼠洞540的虎钳。杆在杆容纳构件531中伸出，操纵臂101的夹钳打开，且操纵臂收回。然后操纵臂旋转，直到该操纵臂位于抽出工作台的相应位置上从而为抽出另一钻杆40做好准备。第七阶段。同时，使头部520位于杆容纳构件531上，使头部下降，直到头部520的螺纹端成功地旋紧在杆容纳构件531上的钻杆40上。第八阶段。操作者打开小鼠洞540的虎钳并开始使所述头部上升，此时使从杆容纳构件531抽出的杆钩到该头部上。第九阶段。最终，执行使操纵臂的能够收缩部分缩回的操作，使头部520和钻杆40与钻井500的中心轴线共轴线。第十阶段。第十阶段让钻杆40连接到钻杆排上，该钻杆排悬挂在钻井500中央的楔上。通过动力钳提供所述连接所需的紧固转矩。此时，操作者提升自动楔，然后将钻杆40的整个钻杆排悬挂到头部520。其然后执行在井中的下降过程。当最后一个杆的上部工具接头从探测平面突出预定高度时，该下降过程将再次停止。第十一阶段。自动楔立即插入以支撑钻杆40的整个钻杆排。此时头部520为另
一周期做好准备。钻杆40插入钻井500中这一阶段结束时，或者，当钻杆需要在与前一作业井相邻的钻井500上移动时，仅钻孔机移动，而传送装置20保持静止不动。显然，如果多个井被提升，那么本发明的设备10可移动。优选地:-如果钻孔机从刚完成作业的钻井500朝紧邻的前一井或紧邻的后一井运动，那么钻杆的传送装置20保持静止不动；-如果钻孔机从刚完成作业的钻井500朝另一井(所述另一井距离钻井500的距离比紧邻的前一井或紧邻的后一井距离钻井500的距离要更远)运动，那么随后将会使传送装置20平行于钻孔机本身平移。但是，通常情况下，传送装置20界定了封闭路径，钻杆的容器30环绕该封闭路径布置并从传动链23a的方向径向伸展，该路径具有较长的长度，该长度至少等于相邻的一对主钻井500之间的距离。根据前述内容，至此已描述的设备的优点是显而易见的。具体而言，可让钻杆的容器的传送装置20沿非圆形路径运动，从而，在现有的圆弧形结构内侧，不会再受到杆的收缩臂或操纵臂的最大尺寸的限制。传送装置不仅能沿预定路径旋转，而且整个设备也能滑动，尤其是在钻孔机正在运行并在一系列钻杆上自推进的相关情况下，可让钻杆的容器位于操纵臂前方。对于到此已描述的设备而言，在不脱离所附权利要求书的保护范围的情况下，可采用一些对本领域专家而言是显而易见的变形形式。
权利要求
1.钻杆的停止和自动操纵设备(10),包括: -钻杆(40)的容器(30)的传送装置(20);以及 -定位在钻孔机上的杆操纵系统(100)，该杆操纵系统包括操纵臂(101 )，所述操纵臂用于将所述钻杆(40)移出所述传送装置(20)； 所述停止和自动操纵设备的特征在于:所述传送装置(20)界定了封闭路径，钻杆(40)的所述容器(30)环绕该封闭路径布置；所述传送装置(20)包括用于支撑所述容器(30)的内部结构(22);所述容器(30)能够移动、并在所述封闭路径上相对于所述内部结构(22)旋转。
2.根据权利要求1的钻杆的停止和自动操纵设备，其中，所述容器(30)相对于所述封闭路径在径向上延伸。
3.根据权利要求1的钻杆的停止和自动操纵设备，其中，所述封闭路径具有最大伸展方向，该封闭路径在该最大伸展方向上的较长的长度至少等于相邻的一对钻井(500)之间的距离，所述钻杆(40)插入所述钻井(500)中。
4.根据权利要求1的钻杆的停止和自动操纵设备，包括用于操纵所述容器(30)的传输组(23)。
5.根据权利要求4的钻杆的停止和自动操纵设备，其中，所述传输组(23)至少包括链条(23a)和一对齿轮(23b，23c),该对齿轮通过至少一电马达操作。
6.根据权利要求1的钻杆的停止和自动操纵设备，包括所述容器(30)的多个支撑托架(50)；所述支撑托架(50)包括用于支撑所述容器(30)的L形结构。
7.根据权利要求5和6的钻杆的停止和自动操纵设备，其中，每个所述支撑托架(50)均接合在至少一个所述链条(23a)上。
8.根据权利要求1的钻杆的停止和自动操纵设备，其中，所述传送装置(20)包括多个防坠落装置(70)，该防坠落装置用于防止所述钻杆(40)从所述支撑托架坠落；对于每个所述容器(30)，所述防坠落装置(70)的数量至少等于一个。
9.根据权利要求8的钻杆的停止和自动操纵设备，其中，每个所述容器(30)包括多排钻杆(40)，对于每个所述容器(30)的每排钻杆，所述防坠落装置(70)的数量等于一个。
10.根据权利要求8和9的钻杆的停止和自动操纵设备，其中，所述防坠落装置(70)包括旋转臂(71)，该旋转臂具有配重并绕水平轴线旋转；所述防坠落装置(70)包括第一打开位置和第二关闭位置，当所述容器(30)自身位于与所述操纵系统(100)相对应的位置时，该防坠落装置通过一打开系统(80)而从所述第二关闭位置转换到所述第一打开位置。
11.钻孔机，该钻孔机包括根据前述任一权利要求所述的钻杆的停止和自动操纵设备。
12.根据权利要求11的钻孔机，其特征在于:该钻孔机被固定并包括不可滑动地被限制到钻井架(510)上的头部(520)，其中，所述头部能够从第一位置和第二位置移动，第一位置位于主井(500)上方，第二位置位于形成在地层中的辅助井(530)上方。
13.根据权利要求11的钻孔机，其特征在于:钻孔机能够相对于地面运动，并且该钻孔机包括不可滑动地被限制到钻井柱(510)上的头部(520)，其中，所述头部(520)能够在第一位置和第二位置之间运动，第一位置悬置在串联布置的多个井中的一井(500)上方，第二位置悬置在钻杆(40)的限制构件(531)上方，该限制构件定位在地面外。
全文摘要
钻杆的停止和自动操纵设备(10)，包括钻杆(40)的容器(30)的传送装置(20)、以及位于钻孔机上的杆操纵系统(100)。杆操纵系统(100)包括操纵臂(101)，该操纵臂用于将所述钻杆(40)从所述传送装置(20)上移走。该停止和自动操纵设备的特征在于所述传送装置(20)界定了封闭路径，钻杆(40)的所述容器(30)环绕该封闭路径布置；该传送装置(20)包括内部结构(22)，该内部结构用于支撑能在封闭路径上运动的所述容器(30)。
文档编号E21B19/20GK103189591SQ201180049068
公开日2013年7月3日 申请日期2011年8月4日 优先权日2010年8月25日
发明者S·费拉里 申请人:吉尔迈科股份公司