管件下送工具及使用方法 相关申请的交叉引用
本 发 明 和 本 申 请 根 据 专 利 法 要 求 提 交 于 2006 年 4 月 28 日 的 美 国 申 请 序 列 No.11/414,511、提交于 2007 年 4 月 28 日的美国申请序列 No.60/926,679，以及国际申请 日为 2007 年 4 月 13 日的 PCT 国际申请 PCT/GB2007/050192 的优先权，上述文献由本申 请人共同拥有并且在此全文引入作为参考。 本申请是提交于 2006 年 4 月 28 日的美国申 请序列 No.11/414,515 的部分继续申请。 技术领域
本发明尤其涉及井眼管件下送系统 ；用于这种系统的管件装卸设备 ；套管下送 系统 ；及其使用方法。 背景技术 现有技术公开了多种井眼管件下送系统，包括但不限于美国专利 6,443,241 ； 6 , 637 , 526 ；6 , 691 , 801 ；6 , 688 , 394 ；6 , 779 , 599 ；3 , 915 , 244 ；6 , 588 , 509 ；5 , 577 , 566 ； 6,315,051，6,591,916 以及提交于 2005 年 5 月 12 日的美国申请公开 No.2005/0098352，提 交于 2006 年 11 月 29 日的美国申请公开 No.2006/0249292 中公开的管件下送系统，所有 这些专利和申请在此全文引入作为参考。
现 有 技 术 公 开 了 多 种 管 件 装 卸 设 备， 包 括 但 不 限 于 美 国 专 利 6,527,493 ； 6 , 920 , 926 ；4 , 878 , 546 ；4 , 126 , 348 ；4 , 458 , 768 ；6 , 494 , 273 ；6 , 073 , 699 ；5 , 755 , 289 和 7,013,759 中公开的管件装卸设备，所有这些专利在此引入作为参考。
一些现有的管件下送系统及其使用方法需要通过钻台 V 形门区域使用绳索和 / 或 斜支柱对管件进行控制操作 ；扶正对扣台操作和其他必需的管件手动装卸 ；为了某些功 能使用动力大钳 ；具有相关费用和备用成本的大量人员 ；和与下送工具系统配合的单独 的单根吊卡。
发明内容
本发明在某些方面公开了一种具有新颖的卡瓦系统的管件下送系统，其中，多 个卡瓦块单独且独立地连接到水平梁上。 卡瓦块在不发生切向运动的情况下进行上下运 动，并且给管件施加相等的载荷。 在一个方面，水平梁位于容纳卡瓦块的卡瓦主体的外 部上方。
本发明在某些方面公开了一种管件下送系统，该管件下送系统具有邻近下送工 具的装有测量仪表的短节 (instrumented sub)。 装有测量仪表的短节具有与下送工具相接 的测量仪表，该测量仪表提供下送工具的转速 (rpm) 测量值和下送工具作用在接头上的 扭矩测量值。
本发明在某些方面公开了一种用于下送套管和加固套管的套管下送系统。
本发明在某些方面公开了一种具有专用控制环路和 ( 在一个方面 ) 用于实现各种功能 ( 例如，连接件倾斜运动，吊卡夹紧，工具旋转，安全中断 ) 的专用控制面板的管件 下送系统。
本发明在某些方面公开了一种管件下送系统，该管件下送系统具有用于执行各 种功能的液压控制回路，具有液压控制系统 ；或者功能自动并电气执行的计算机系统。
本发明在某些方面公开了一种具有整体式转节组件 (integrated swivel assembly) 的管件下送系统，所述转节组件能够在系统夹持管件或使其旋转时使连接件倾斜设备 (link tilt apparatus) 保持静止。 在某些方面，系统转节组件提供了用于油气田服务环路的 终端位置，在某些方面，消除了与顶部驱动形成这种连接的必要。
本发明在某些方面公开了一种管件下送系统，该管件下送系统包括管件下送工 具 ( 例如但不限于套管下送工具和输送管下送工具 ) ；驱动系统 ( 例如，旋转驱动系统， 动力水龙头系统或顶部驱动系统 ) ；和连接在下送工具和顶部驱动系统之间的接头装卸 系统。 在某些特殊方面，接头装卸系统是位于下送工具和顶部驱动系统之间的单根系统 (single joint system)。 在其它方面，可以装卸多根 ( 例如，两根或三根管件 )。
在某些特别方面，单根装卸系统具有两个隔开的可延伸臂，在其端部之间可枢 转地连接到用于可松开地接合管件的吊卡上。 在一个方面，可延伸臂通过机械设备朝向 和远离下送工具移动，所述机械设备例如但不限于旋转致动装置。 在其它方面，一端连 接到可延伸臂上，另一端连接到下送工具或安装主体上的一个、两个或多个缸筒设备使 可延伸臂朝向和远离下送工具移动。 一些现有技术的下送工具系统使用较长的下部对扣引鞋以辅助管件的探测和定 位。 某些引鞋使用较宽、较长的裙部以相对于下送工具引导管件。 对于本发明的某些实 施例，单根装卸系统将管件联接器拉动到下送工具或拉动到下送工具中，从而可以使用 较短、较小的对扣节或喇叭口，以减少整个系统的长度。 可以使用与下送工具相关的衬 偿器以便于将凸 / 阳管端引入 ( “软对扣” ) 凹 / 阴管端中。
在一个方面，在单根装卸系统吊卡连接到管件上之后，移动设备上升，直到管 架处于下送工具下方的竖直位置为止。 可延伸臂随后延伸以使管架下降和 “软对扣” 到 管柱 ( 例如，在钻台转盘上夹持于卡瓦中的管柱 ) 的管件联接器中。
因此，本发明包括能够提高管件下送工具技术的特征和优点。 在阅读下列优选 实施例和参考附图的情况下，本发明如上所述的特征和优点以及附加的特征和优点对于 本领域技术人员来说显而易见。
本发明的一些实施例不局限于这里公开的任何特定的单个特征，而是包括它们 在其结构、功能和 / 或实现效果方面不同于现有技术的组合。 上文已经对本发明的特征 进行了广义地描述，从而可以更透彻地理解下列详细说明，以便更好地认识到本发明对 现有技术的贡献。 当然，本发明如下所述的其它方面包括在本发明权利要求的主题内。 受益于本发明、其教导和建议的本领域技术人员应当认识到，本发明所披露的概念可以 作为设计其它用于执行和实施本发明的结构、方法和系统的创新基础。 在不脱离本发明 精神和范围的情况下，本发明的权利要求包括任何法律上等效的装置或方法。
下文描述了本发明的一些但不是全部目标。 除了本发明的至少一些实施例的特 定目标之外，本发明的其它目标和目的对受益于本发明的教导和公开的本领域技术人员 来说显而易见。
因此，本发明的至少一些优选实施例的目标在于提供新颖、有用、独特、有 效、非显而易见的系统和方法，包括但不限于套管下送系统、单根装卸系统、管件下送 系统及它们的使用方法。
本发明认识到并解决了本领域的问题和需要，在本发明的各种可能实施例及其 等效方式方面提供了对这些问题的解决方案并令人满意地满足了这些需要。 对受益于本 发明的实现、教导、公开和建议的本领域技术人员来说，在结合附图阅读下列优选实施 例的情况下，本发明的其他目标和优点将变得显而易见。 这些细节描述不用于限制本专 利所要保护的目标，不管其他人随后通过形式变化、改变或进一步改进来试图对此进行 怎样掩饰。
作为本申请一部分的摘要使美国专利商标局和普通公众，以及科学家、工程 师、研究人员和不熟悉专利术语或法律用语的本领域从业者通过粗略阅读或查阅能够快 速确定本发明的性质和总范围。 摘要既不用于限定本发明 ( 这由权利要求完成 )，也不用 于以任何方式限制本发明的范围。
应当理解，本发明的各个实施例可以包括一个、一些或者全部在本发明权利要 求中公开、描述和 / 或列举的改进和 / 或技术效果和 / 或要素。
在此对本发明的某些方面、某些实施例和某些优选特征进行阐述。 可以使用任 何方面或实施例中显示的方面或特征的任意组合，除非这种方面或特征相互排斥。附图说明
可以参考构成本说明书一部分的附图中显示的实施例，对上文简要总结的本发 明实施例进行更具体地描述。 这些附图显示了一些优选实施例并且不用于限制本发明的 范围，本发明可以具有其它等效实施例或法律上等效的实施例。
图 1A 是具有根据本发明的单根装卸系统的根据本发明的管件下送系统的前视 图。
图 1B 是图 1A 所示系统的侧视图。
图 1C 是图 1A 所示系统的侧视图。
图 1D 是图 1A 所示系统的透视图。
图 1E 是图 1A 所示单根装卸系统的一部分的局部透视图。
图 1F 是根据本发明的系统的侧视图。
图 1G 是现有技术的吊卡的透视图。
图 1H 是图 1G 所示吊卡的顶部剖视图。
图 1I 是图 1G 所示吊卡的顶部剖视图。
图 1J 是图 1G 所示吊卡的顶部剖视图。
图 1K 是图 1G 所示吊卡的顶视图。
图 1L 是图 1G 所示吊卡的一部分的横截面视图。
图 1M 是图 1G 所示吊卡的一部分的横截面视图。
图 1N 是图 1G 所示吊卡的一部分的横截面视图。
图 2A 是使用根据本发明的系统的根据本发明的方法的一部分的示意图。
图 2B 是使用根据本发明的系统的根据本发明的方法的一部分的示意图。图 2C 是使用根据本发明的系统的根据本发明的方法的一部分的示意图。 图 2D 是使用根据本发明的系统的根据本发明的方法的一部分的示意图。 图 2E 是使用根据本发明的系统的根据本发明的方法的一部分的示意图。 图 3 是根据本发明的系统的侧视图。 图 4 是根据本发明的系统的侧视图。 图 5 是根据本发明的系统的透视图。 图 5A 是图 5 所示系统的透视图。 图 5B 是图 5 所示系统的一部分的透视图。 图 5C 是图 5 所示系统的局部剖开的侧视图。 图 6 是根据本发明的系统的透视图。 图 7A 是图 5 所示系统的卡瓦安放系统的横截面视图。 图 7B 是图 7B 所示系统的横截面视图，显示了根据本发明的方法中的步骤。 图 7C 是图 7B 所示系统的横截面视图，显示了根据本发明的方法中的步骤。 图 7D 是图 7B 所示系统的横截面视图，显示了根据本发明的方法中的步骤。 图 8A 是图 7B 所示系统的连接件的顶视图。 图 8B 是与根据本发明的系统一起使用的连接件的顶视图。 图 9A 是与根据本发明的系统一起使用的扭矩传感器的透视图。 图 9B 是图 9A 所示扭矩传感器的侧视图。 图 9C 是沿图 9B 中的直线 9C-9C 剖开的横截面视图。 图 9D 是图 9A 所示扭矩传感器的分解图。 图 10A 是与图 9A 所示扭矩传感器一起使用的应变元件的顶视图。 图 10B 是沿图 10A 中的直线 10B-10B 剖开的横截面视图。 图 10C 是图 10B 所示应变元件的横截面视图。 图 10D 是与图 10A 所示应变元件一起使用的电路图。 图 11 是根据本发明的系统的侧视图。 图 12 是根据本发明的系统的扭矩反作用框架的透视图。 图 13 是图 12 所示扭矩反作用框架的顶视图。 图 14A 是根据本发明的系统的前视图。 图 14B 是图 14A 所示系统的侧视图。 图 14C 是图 14A 所示系统的顶视图。 图 14D 是图 14A 所示系统的局部透视图。 图 14E 是图 14A 所示系统的局部透视图。 图 14F 是图 14A 所示系统的局部透视图。 图 14G 是图 14A 所示系统的局部透视图。 图 14H 是图 14A 所示系统的局部横截面视图。 图 14I 是图 14A 所示系统的局部横截面视图。 图 14J 是图 14I 所示系统的一部分的放大图。 图 14K 是图 14H 所示系统的顶视图。 图 14L 是图 14H 所示系统的顶视图。图 14M 是图 14H 所示系统的局部横截面视图。 图 14N 是图 14A 所示系统的局部横截面视图。 图 14O 是图 14N 所示系统的一部分的放大图。 图 14P 是图 14N 所示系统的一部分的放大图。 图 14Q 是图 14N 所示系统的一部分的放大图。 图 14R 是图 14N 所示系统的一部分的放大图。 图 14S 是图 14A 所示系统的局部横截面侧视图。 图 14T 是图 14S 所示部分的局部横截面视图。 图 15A 是图 14A 所示系统的一部分的透视图。 图 15B 是图 14A 所示系统的一部分的透视图。 图 15C 是图 14A 所示系统的一部分的透视图。 图 15D 是图 15A 所示系统的一部分的放大图。 图 15E 是图 15A 所示系统的横截面视图。 图 15F 是图 15A 所示系统的一部分的放大图。 图 15G 是图 15A 所示系统的一部分的局部分解透视图。 图 16A 是图 14A 所示系统的卡瓦主体的顶部透视图。 图 16B 是图 16A 所示卡瓦主体的底部透视图。 图 16C 是图 16A 所示卡瓦主体的闭锁装置的放大图。 图 16D 是具有卡瓦 374 的主体 340 的顶部示意图。 图 17A 是图 14A 所示系统的转节组件的分解透视图。 图 17B 是图 17A 所示转节组件的一部分的视图。 图 17C 是图 17B 所示部分的顶视图。 图 17D 是图 17B 所示部分的侧视图。 图 18A 是图 14A 所示系统的一部分的横截面视图。 图 18B 是图 14A 所示系统的一部分的横截面视图，显示了根据本发明的方法中的步骤。 图 18C 是图 14A 所示系统的一部分的横截面视图，显示了根据本发明的方法中 在图 18B 所示步骤之后的步骤。
图 18D 是图 14A 所示系统的一部分的横截面视图，显示了根据本发明的方法中 在图 18C 所示步骤之后的步骤。
图 19 是根据本发明的系统的示意图。
图 20A 是图 19 所示系统的控制面板的透视图。
图 20B 是图 20A 所示控制面板的侧视图。
图 20C 是图 20A 所示控制面板的前视图。
图 20D 是图 20A 所示控制面板的后视图。
图 21A 是用于根据本发明的系统的线缆束的顶视图。
图 21B 是图 21A 所示线缆束的横截面视图。
图 21C 是根据本发明的服务环路支架的侧视图。
图 22 是根据本发明的控制面板的示意图。
图 22A 是用于根据本发明的系统的液压回路的示意图。 图 22B 是图 22A 所示回路的一部分的放大图。 图 22C 是图 22A 所示回路的一部分的放大图。 图 22D 是根据本发明的控制面板的示意图。 图 23A 是根据本发明的阀组件的横截面透视图。 图 23B 是图 23A 所示组件的一部分的局部视图。 图 23C 是图 23A 所示组件的一部分的横截面视图。 图 23D 是具有图 23A 所示阀组件的根据本发明的控制面板的一部分的透视图。 图 23E 是图 23D 所示组件的一部分的横截面侧视图。 图 23F 是图 23A 所示组件的示意图。 图 24 是与根据本发明的系统中的吊卡相关的液压回路的示意图。 图 25 是用于根据本发明的系统的液压回路的示意图。 图 25A 是图 25 所示回路的一部分的放大图。 图 25B 是图 25 所示回路的一部分的放大图。 图 25C 是图 25 所示回路的一部分的放大图。图 26 是用于根据本发明的系统的液压回路的示意图。
图 26A 是图 26 所示回路的一部分的放大图。
图 26B 是图 26 所示回路的一部分的放大图。
图 27A 是根据本发明的系统的示意图。
图 27B 是图 27A 所示系统的一部分的侧视图。
图 27C 是图 27B 所示系统的岐管的透视图。
图 27D 是图 27A 所示系统的触摸屏系统的侧视图。
图 27E 是图 27D 所示系统的触摸屏设备的透视图。
图 27F 示意性地显示了图 27E 所示设备的一部分。
本发明目前优选的实施例在附图中进行了显示并且在下文进行了详细描述。 本 发明实施例的各个方面和特征在下文进行了详细描述并且其中一部分在从属权利要求中 进行了阐述。 可以使用下文详细描述并且在从属权利要求中显示的方面和 / 或特征的任 意组合，除非这些方面和 / 或特征互相排斥。 应当理解，所附附图和说明是优选实施例 并且不用于限制本发明或所附权利要求。 相反，本发明涵盖落入由所附权利要求限定的 本发明精神和范围之内的所有变形、等效方案和可选方案。 在显示和描述优选实施例 时，使用相似或相同的参考数字表示相同或相似的元件。 附图不必按比例绘制，为了清 楚简明，附图中的某些特征和某些视图可以放大显示或示意显示。
当在这里和本专利的所有不同部分 ( 和标题 ) 使用时，术语 “发明”、 “本发 明” 及其变形表示一个或多个实施例，不表示任何特定的权利要求或所有权利要求中要 求保护的发明。 因此，这类参考的主题或专题不自动或必要地构成任何特定权利要求的 一部分，它们仅仅作为参考。 只要它们不互相排斥或对立，这里所公开的任何实施例的 任何方面或特征或者方面或特征的组合可以在这里公开的任何其它实施例中使用。具体实施方式
下面对提交本专利时优选的本发明实施例进行描述。
图 1A-1D 显示了根据本发明的系统 10，其包括管件下送工具系统 20 ；驱动系统 30( 如图 1A、1D 中示意性所示，例如但不限于顶部驱动系统 ) ；和根据本发明的单根装 卸系统 50。 管件下送系统 20 可以是任何适当的已知管件下送工具设备，并且在一个特定 方面是套管下送工具系统，例如但不限于从本发明拥有人的 National OilwellVarco 购得的 已知套管下送工具 Model CRT 14。 在一个特定方面，系统 20 是根据本发明的系统 ( 这里 公开的任何系统 )。
驱动系统 30( 适用于本发明公开的任何系统 ) 可以是任何适当的已知顶部驱动系 统或动力水龙头系统，它们可以使可连接到钻架 D 上的管件旋转。 可选地，驱动系统可 以与上部 IBOP( 钻杆内防喷器 )U 和下部 IBOP L 一起使用。 在一个方面，驱动系统是 NationalOilwell Varco TDS 11 500 吨系统。
单根装卸系统 50 具有带两个隔开的横梁 51、52 的底座 53，所述横梁由横向构件 54 连接。 每个横梁 51、52 枢转连接到从安装主体 ( 或 “转节组件” )55 伸出的相应轴 53、54( 其可以是穿过安装主体的单个轴 ) 上。 臂 61、62 分别可延伸地安装到横梁 51、 52 上。 横梁或臂内 ( 以及连接到其上 ) 的缸筒 / 活塞设备 56( 示意性显示 ) 使臂 61、62 相对于横梁 51、52 移动。 软管 57、58 给缸筒 / 活塞设备 56 提供动力流体 ( 例如，从钻 台上的典型动力流体源 )。 单根 (single joint) 吊卡 60 枢转连接到臂 61、62 的端部 71、72 上。 可以使用任何适当的已知吊卡。 在一个特定方面，吊卡是从 National Oilwell Varco 购 得的 Model SJH。 根据本发明，这种吊卡改进成利用闭合反馈系统进行远程操作。 在一 个方面，倾斜系统 70 使吊卡 60 进行有选择的受控倾斜。 倾斜系统 70 具有连接在臂 61 和 吊卡 60 的主体 65 之间的活塞 - 缸筒设备 73。 管路 66 将系统 70 连接至控制系统 CS( 图 1E 中示意性显示 )，例如钻台控制系统、 TRS( 商标 ) 系统、顶部驱动控制系统 ( 例如但 不限于已知的 National Oilwell Varco 钻机的控制站或者独立钻机的控制系统或控制站，它 们临时或永久地安装在现有钻台控制系统上，或与其一起安装或安装到其中 )。
在一个实施例中，枢转缸筒设备 81、82 连接在安装主体 55 和横梁 51、52 之 间。 软管 57、58 给缸筒设备 56 和 81、82 提供动力流体 ( 例如从图 1D 示意性显示的钻 台动力源 PS)。 每个缸筒设备 81、82 的一端连接到分别从安装主体 55 伸出的轴 91、92 上，活塞 83、84 的端部分别连接到横梁 51、52 之一上。 活塞 83、84 的伸缩导致臂 61、 62 相对于下送系统 20 移动。 有选择地，枢转缸筒设备 81、82 连接到系统 20 上或者连接 到位于系统 20 上方的结构上。 有选择地，只使用一个枢转缸筒设备。
从安装主体 55 伸出的销 95 伸入管子装卸装置 34 的固定装置 32( 例如管子装卸 装置 34 的扭矩管 ) 中以抵抗由管件下送系统 20 产生在固定装置 32( 和与其相连的结构 ) 中的扭矩以及防止系统 50 与系统 20 一起旋转。 有选择地，如图 2E 所示，销 96( 或多个 销 ) 从安装主体 55 伸入驱动系统 30 的对扣喇叭口 39 中，从而防止系统 50 与系统 20 一 起旋转。
在某些方面，根据本发明的系统 50 落入位于其上方的顶部驱动系统的宽度范围内。
图 1F 显示了与系统 10 类似的系统 10a 的另一实施例，类似的数字表示类似的部 件。 系统 10a 没有枢转缸筒设备 81、82。 横梁 51、52( 图 1F 中显示了一个 ；如图 1A所示 ) ；连接臂 ( 未显示 ；如图 1A 所示 ) ；和吊卡 ( 未显示 ；如图 1A 所示 ) 通过机械 设备 74 朝向和远离下送工具系统移动，所述机械设备使轴 53a 旋转，所述轴 53a 是延伸 穿过安装主体 55 的单轴，两个横梁都连接到所述安装主体 55 上。 在一个特定方面，机 械设备 74 是具有与轴 53a 相互连接的部分 74a、74b 的旋转致动设备 ( 或者两个旋转致动 设备，如果每个横梁安装到单独的轴，例如轴 53、54 上 )。
图 2A-2E 显示了根据本发明的一种方法，该方法利用根据本发明的系统 10 使位 于井眼 W 上方的钻台 R( 例如，典型的钻台系统 ) 上的套管移动。 如图 2A 所示，驱动系 统 30 已经下降并且臂 61、62 已经朝向套管 C 的套管段或接头延伸，所述套管 C 位于具 有钻台板 FR 的钻台 R 的 V 形门区域 V 中。 吊卡 60 锁定在位于套管 C 的联接器 CG 下 方的套管 C 的套管段或接头上。 在对已有钻孔加套管期间或跟管钻进时使用该步骤而给 套管柱增加套管。 传感器 SR( 示意性显示 ) 给控制系统 CS 传送臂 61、62 的延伸程度 ； 横梁 51、52 相对于系统 20 的角度 ；和吊卡 60 的锁定状态。
如图 2B 所示，通过在钻架上抬起系统 10 使套管 C 的接头向上提升。 有选择 地，在上述运动期间，使用尾索和 / 或尾臂支撑套管 C。 在一个方面，不使用这种绳索 或臂，系统 50 支撑套管 C。
如图 2C 所示，该根套管 C 已经移动到井眼 W 上方并与套管柱 ST 成一直线。 在 下送工具系统 20 中通过单根装卸系统 50 缩回臂 61、62 而将联接器 CG 拉起。
图 2D 显示了套管 C 的接头下降到套管柱 ST 的顶部接头以与其螺纹配合并连 接。 系统 10 随后下降到使联接器 CG 位于下送工具系统 20 内，使得系统 20 内的夹持卡 瓦 29 可以安放在该根套管 C 的主体上而非联接器上 ( 参见图 2E，虚线表示联接器 CG 和 卡瓦 29)。 如下所述的其他系统在某些方法中具有类似的操作步骤。
因此，本发明在一些但不必是全部实施例中提供了一种管件下送系统，包括用 于使井眼管件移动的下送工具系统 ；连接到所述下送工具系统上的管件装卸系统 ；管件 装卸系统具有两个臂，所述两个臂包括两个隔开的可在长度上延伸并朝向和远离下送工 具系统移动的可延伸臂。 这种方法在任何一种可能的组合方式中可以具有下列一个或一 些 ：连接到所述臂上的吊卡，所述吊卡用于可松开地接合相对于下送工具系统移动的管 件 ；管件装卸系统是单根装卸系统 ；由管件装卸系统装卸的管件连接到至少一个附加管 件上 ；要装卸的管件连接到两个附加的管件上 ；管件下送系统包括连接到两个臂上以有 选择地接合管件的接合设备 ；其中，所述两个臂可充分伸长和移动以将管件向上移动到 下送工具 ；其中，井眼管件是套管 ；定位在下送工具系统上方的主体，两个臂枢转连接 到所述主体上 ；连接到两个臂上用于使两个臂相对于下送工具运动的枢转设备 ；其中， 两个臂连接到所述主体上的可移动轴设备上，管件下送系统还包括枢转设备，所述枢转 设备包括用于使可移动轴设备旋转以使两个臂朝向和远离下送工具系统移动的旋转设 备 ；枢转设备具有第一端部和第二端部，第一端部可枢转地连接到所述主体上并且与两 个臂隔开，第二端部枢转连接到所述两个臂上 ；连接到下送工具系统上并位于其上方的 驱动系统 ；和 / 或其中，驱动系统是用于井眼操作的顶部驱动系统。
因此，本发明在一些但不必是全部实施例中提供了一种用于下送管件的方法， 所述方法包括利用管件下送系统的接头接合设备与管件接合，所述管件下送系统是本发 明公开的任意下送工具系统 ；和利用接头装卸系统将管件移动到下送工具系统。 这种方法在任何一种可能的组合方式中可以具有下列一个或一些 ：其中，管件下送系统的臂可 充分伸长和移动到将接头移动到下送工具系统中，和将接头移动到下送工具系统中 ；其 中，接头接合设备是吊卡 ；其中，管件下送系统包括定位在下送工具系统上方的主体， 两个臂枢转连接到所述主体上，以及使所述臂相对于下送工具系统枢转 ；其中，管件下 送系统还包括连接到下送工具系统上并位于其上方的驱动系统 ；和 / 或其中，驱动系统 是用于井眼操作的顶部驱动系统。
图 3 显示了根据本发明的系统 10b( 与图 1A 中的系统 10 类似，类似的数字表示 类似的部件 )。 系统 10b 具有控制系统 22，其与管件下送系统 20 和钻台控制系统 RCS 联通。 钻台控制系统 RCS 可以是各种已知的钻台控制系统，包括但不限于从 National OilwellVarco 购得的 AMPHION( 商标 ) 系统。
控制系统 22 包括与用于接头装卸系统 50 和下送工具系统 20 的液压管路、阀 和电路联通的控制设备。 控制系统 22 可以由钻探工通过控制台进行控制。 系统 20 和 50 的所有功能可以利用控制系统 22 完成。 同样，所有这些功能可以自动完成，例如与 AMPHION( 商标 ) 系统协同完成或通过控制系统 22 完成。
图 4 显示了根据本发明的系统 10c( 与图 1A 中的系统 10 类似，类似的数字表示 类似的部件 )。 系统 10c 具有位于下送工具系统 26( 例如，与图 1A 中的下送工具系统 20 或任何已知的下送工具系统类似 ) 上方的装有测量仪表的短节 24。 装有测量仪表的短节 24 测量下送工具系统 20 的旋转并且提供以转 / 分表示该旋转的信号。 装有测量仪表的短 节 24 测量施加到管线接头上的扭矩。 装有测量仪表的短节 24 与控制系统连通并且提供 表示转速和施加扭矩的信号。
图 5-5C 显示了根据本发明的工具系统 T，其执行套管下送工具 ( 例如，用于套 管 CA 的管段 ) 和 ( 在一个方面 ) 固井系统的功能。 如图 5A 所示，系统 T 具有自动液压 操作的单根装卸系统 1 ；可调节的连接件倾斜框架 2 ；灌注和循环工具 3 ；用于框架 2 的 缸筒组件 4 ；和为便于检修卡瓦系统 7 中的卡瓦的转锁结构 5。 在一个方面，单根装卸系 统利用液动或气动系统远程操作， “安放” 信号由装卸系统提供给操作人员。 在某些方 面，这种系统 T 取消了扶正对扣台 (stabbing-board) 操作，从而减少了管件的手动装卸 ； 在某些特定方面，不存在动力套管吊钳操作，取消了工作平台。 在某些方面，系统 T 包 括整体式补偿器，其降低了由于交错螺纹管件造成的损坏风险。 这种系统 T 确保了套管 可以安放在套管下入深度，能够将套管推到底，灌注、循环、旋转和往复运动。
这种系统 T( 因为它在一个组件中具有单根吊卡系统、刚性连接件提升和对扣组 件、灌注和循环工具和补偿器 ) 需要装配的设备很少。 单载荷路径设计取消了连接件。 操作人员可以确定和控制下送 / 脱扣速度，旋转和上扣扭矩。 当下送复合管柱时，利用 旋锁设计和插入式托架 / 卡瓦设计 ( 例如，将托架从 4.5 英寸插到九又八分之五英寸 ) 可 以在短时间 ( 例如，几分钟 ) 内改变尺寸。
在某些方面，管传感器与系统 T 一起使用以检测套管联接器，使得卡瓦自动安 放在正确的位置，确保套管连接完好性。
灌注和循环工具能够在下送复合管柱时快速更换密封和导向元件 ；避免或防止 昂贵流体泄漏 ；以及降低环境问题的风险。 在一个方面，拨盘 (catch plate) 直接操作灌 注和循环工具。 可选的照相机系统 CM( 在图 5C 中示意性示出 ) 提供了卡瓦安放功能和灌注工具位置的视觉确认。 在某些方面，由系统 T 提供给操作人员的绞车停止信号提示 操作人员系统 T 下降到其安放卡瓦的正确位置，钻探工可以 / 必须通过停止绞车来停止下 降系统 T/ 顶部驱动联合装置。
图 5C 显示了系统 T，其具有可视的水平梁 VB 和卡瓦系统 7。 在某些特定方面， 系统 T 具有这些规格和尺寸 ：规格和尺寸 API 8C 额定提升负荷 350 吨 /371M 1 5 1 吨套管尺寸 4 /2″到 9 /8″灌注和循环 4 /2″到 95/8″循环 & 灌注 ( 在全程范围内灌注、循环和回收 ) 最大泥浆循环压力 5000psi/34500KPa 转速 0-20rpm 重量 7700lbs/3493kg 最大下推 力 20000lbs/9072kg 运输滑移架 符合提升装置的 DnV 规定温 度范围 -20°到 +40° ( 摄氏度 ) 最大扭矩 35000ft.lb.CRT 主体的直径 1 1 31 /2″高度＊ 120 /2″ ( 补偿器位于中立位置 ) ＊累积长度从 TDS 导向喇叭口 计
图 6 显示根据本发明的系统 100。 系统 100 具有主轴 ( 与本发明公开的任意系统 的主轴类似 ) 和转节组件 155。 主轴是管件下送系统的主要承载部分并且具有将管件重 量从卡瓦和卡瓦主体传递给轴的承载肩部 ( 与本发明公开的任意系统的承载肩部类似 )。 转节组件 155 是与连接件倾斜系统 ( 与图 1A 中的连接件倾斜系统 50 类似，或者与本发明 公开的任意系统的连接件倾斜系统类似 ) 相互连接的整体式转节组件。 当连接件倾斜系 统夹持管子并且管子旋转时，整体式转节组件 155 使连接件倾斜系统保持静止。
整体式转节组件 155 还可以作为油气田服务环路的终端点。
根据本发明的灌注和循环工具可以整合到系统 100 中。
系统 100 具有带水平梁 210( 与本发明公开的任意系统的水平梁类似 ) 的卡瓦安 放系统 200，多个可移动卡瓦块连接到所述水平梁上。 横梁可以看见。 在本发明的范围 内可以使用任何希望数量的卡瓦块，例如，两个、三个、四个或更多个。 每个卡瓦块利 用连接件 214( 参见图 8A) 连接到水平梁 210 上，所述连接件的一端 215 利用穿过狭槽 233 的销 216 可枢转地销接到水平梁上，另一端 217 利用穿过孔 217a 的销 218 可枢转地销接 到相应的卡瓦块上。
水平梁连接到提升设备 220( 与本发明公开的任意系统的提升设备类似 ) 上。 提 升设备 220 使水平梁 210 上升和下降。
在根据本发明的卡瓦安放系统 200 的一个特定方面，存在三个独立的卡瓦块 ( 例 如，如本发明公开的任意系统中，具有三个卡瓦 )。 在相邻的卡瓦块之间没有连接。 三 个卡瓦块在上下移动时相对于管子径向移动，而没有任何切向移动。 理想地，三个卡瓦 块围绕管子形成圆圈并且给管子施加相等的载荷。 因此，在管子由三个卡瓦块同时接合 时，总体平衡的载荷施加给管子。 可通过使顶推块 ( 代替典型的卡瓦架 ) 滑动而将卡瓦 向下推动。
图 7B-7D 显示了利用具有卡瓦安放系统 200 的下送工具系统 100 进行根据本发 明的卡瓦安放方法中的步骤。 如图 7B 所示，卡瓦已经上升，卡瓦块 211-213 不再与管件 接合。 如图 7C 所示，水平主体 210 已经通过设备 220 下降并且卡瓦块 211-213( 显示了 一个 ) 已经向下和径向向内移动以夹紧管子 P，但仍未穿透管子 P。 如图 7D 所示，卡瓦 块 211-213 已经下降到它们行程允许的最远程度并且已经穿透管子 P，与之接合。卡瓦块 211-213 容纳在卡瓦主体 222 内，所述卡瓦主体具有与卡瓦块突起 226a 和 226b 共同起作用的凹部 223、224 和突起 225 以将卡瓦块 211-213 可松开地保持在主体孔 236 内的适当位置处。
每个连接件 214 具有带顶部把手 232 和顶部狭槽 233 的主体 231。 销 218 位于 孔 235 中。 销 216 可在狭槽 233 内移动。 因此，当卡瓦块 211-213 正从卡瓦主体 222 的 孔 236 中提起时，销 216 拉动连接件，使得卡瓦块收起并与管件脱离。 当卡瓦块通过连 接件 214 下降和向下推动到与管件接合时，连接件 214 到达其行程的某个位置，使销 216 在狭槽 233 中移动，连接件 214 不再向下推动销 216，从而不再向下推动卡瓦块。 在水平 梁 210 的底部，下推块 234 朝向卡瓦的顶面 235 向下伸出。 当水平梁 210 向下移动时， 重力使单个的卡瓦块落入卡瓦主体 222 的孔 236 中。 当卡瓦块接触管子 OD 时，它们停 止向下运动，直到水平梁 210 上的下推块 234 与所有卡瓦块 211-213 接触并且将全部三个 卡瓦块 211-213 均匀、同时以及完全轴向地向下推动。 没有径向力作用在卡瓦块 211-213 上。 单个的卡瓦块 211-213 因此能够自由地找到它们围绕管子的 OD 圈的理论上的最佳 位置。 图 8B 显示了用于卡瓦的连接件 214a 的可选形状。 连接件 214a 具有销开口 233a 和 235a。 在某些特定方面，在根据本发明的系统 ( 例如，本发明公开的任何类型 ) 中利用 如图 9A-9B 显示的扭矩传感器组件 1300 测量扭矩。 组件 1300 包括内环 1302、滑动轴 承 1304、外环 1306、应变元件 1308、滑动轴承 1312、轴承护圈 1314、和用于应变元件 1308 的螺栓 1309。 内环 1302 具有贯穿通道 1303 和键槽 1305。 螺栓 1313 将护圈 1317 固定在安装于作用支架 1311 中的球形轴承 1316 上，所述作用支架利用螺栓 1301 附接到 外环 1306 上。 球形轴承 1316 接合应变元件 1308( 图 10A-10C 中用于应变元件的连接装 置 1315)。
在某些方面，利用根据本发明的系统，扭矩通过带花键的轴 ( 未显示 ) 从顶部驱 动马达施加给内环 1302 的键槽 1305。 内环 1302 将扭矩传递给应变元件 1308，其继而将 扭矩通过球形轴承 1316、作用支架 1311 传递给外环 1306。 外环 1306 将扭矩通过底部法 兰 1307 传递给下送工具系统 ( 例如，如图 4 或 5 所示 ) 框架和主体。
图 10A-10C 显示了带有连接装置 1315 的应变元件 1308。 图 10D 显示了与组件 1300 一起使用的一种典型接线图 1310。
图 11 显示具有根据本发明的套管下送工具 830 的根据本发明的系统 800。 系统 800 包括顶部驱动 802、鹅颈管 804、连接件适配器 806、连接件倾斜装置 808、管线接头 卡子 812 和 814、下部 IBOP816、导向梁 818 和管子装卸装置 822。 套管下送工具 830 具 有连接到工具 830 的顶端的转矩反作用框架 840( 参见图 12、13)，并且可移动地连接到导 向梁 818 上并由其导向。
主轴 832( 与图 6 中的轴 170 类似 ) 具有带扭矩框架 850 的花键连接，从而允许 扭矩从顶部驱动 802 传递给卡瓦组件 860( 与如上所述的卡瓦安放系统 200 类似 ) 中的卡 瓦并由此传递给利用工具 830 下送的套管。 过渡接头用于使轴连接装置适应顶部驱动连 接装置 ( 或下部 IBOP)。
套管下送工具 830 具有接头装卸系统 836( 例如，与如上所述的系统 50 类似 )。
任何适用的已知灌注和循环工具可以与根据本发明的系统一起使用 ；例如，这
种工具包括用于控制流过系统的泥浆的内部球阀。
图 14A-14R 显示了与图 6 中的系统 100 类似的下送工具系统 300。 系统 300 具有 主轴 302，所述主轴 302 是系统 300 的主要承载部分并且显示为连接到顶部驱动系统上， 所述顶部驱动系统包括轴 TS、下部钻杆内防喷器 TB、管子装卸装置 TP、连接件倾斜设 备 TL 和顶部驱动 TD( 示意性显示 )。 过渡接头 TC 有助于主轴 302 连接到下部钻杆内防 喷器 TB 上。
主轴 302 具有承载肩部 307，其将管件重量 ( 例如，套管重量 ) 从卡瓦系统 ( 如 下所述 ) 和卡瓦主体 340( 如下所述 ) 通过扭矩框架 310 传递给主轴 302。 主轴 302 将 扭矩从顶部驱动系统 TT 的顶部驱动 TD 传递给系统 300。 具有盖 304 的扭矩辅助组件 (torquebackup assembly)305 连接到转节组件 308 的固定部分 306 上，从而防止转节组件 308 的固定部分旋转。 扭矩辅助组件 305 还连接到导向梁 GB 上，所述导向梁连接到钻台 钻架 ( 未显示 ) 上。
扭矩框架 310 将扭矩从顶部驱动系统 TT 传递给由系统 300 的卡瓦系统 ( 如下所 述 ) 接合的管件 ( 例如，套管 )。 扭矩框架 310 还将提升载荷传递给主轴 302，将扭矩传 递给卡瓦 ( 如下所述 )。
连接件倾斜组件 320 具有支撑单根吊卡 330 的臂 322。 单根吊卡 330 从钻台的 V 形门区域提起单根管件 ( 例如，单根套管 ) 并且将管件提升到用于在钻井中心对扣的竖直 位置。
连接件倾斜组件 320 的臂 322 的顶部可枢转地连接到转节组件 308 上并且通过动 力缸筒设备 312 可移动地连接到臂 322 和转节组件 308 上。 每个臂 322 包括连接件 324， 其将载荷从吊卡 330 传递给臂 322，同时允许吊卡 330 相对于系统 300 的下部枢转。
连接到支架 327( 连接到扭矩框架 310 上 ) 上的防护装置 314 保护各个缸筒、管 路配置和气动阀。 岐管 316 分配用于设备 312 的动力流体，容纳连接件倾斜组件 320 的 阀，并且给连接件倾斜组件 320 的各种接头配件提供安装位置。
接收装置 ( 或 “导向喇叭口” )318 有助于管件进入卡瓦主体 340。 底部导向装 置 377( 参见图 18A) 位于接收装置 318 上方。
如图 14D 和 14E 所示，具有三个补偿器组件 326a、326b、326c 的补偿器设备 326 在其下端连接到支架 327( 通过花键结构连接到扭矩框架 310 上 ) 和主轴 302 上。 这些补 偿器组件将扭矩框架 310、卡瓦主体 340 和由卡瓦夹紧的管件的重量传递给主轴 302，减 少了系统 300 进行接头装配期间的管件螺纹损坏。
卡瓦缸筒组件 350 具有三个动力卡瓦缸筒设备 350a、350b 和 350c，其使卡瓦 374( 如下所述 ) 移动以夹紧和松开管件。 每个动力卡瓦缸筒设备 350a、350b、350c 具有 相应的岐管 352a、352b、352c，其提供用于软管、阀、压力测试接头配件和用于特定动 力卡瓦缸筒设备的接头配件的管路配置隔板。
每个动力卡瓦缸筒设备 350a、350b、350c 的一端连接到扭矩框架 310 上，相对 的另一端连接到水平梁 360 上。 如下所述的卡瓦 374 连接到连接件 376 上，所述连接件 376 连接到水平梁 360 上。 在致动时，三个动力卡瓦和缸筒设备同时移动，从而使水平梁 360 和卡瓦 374 移动到接触并夹紧系统 300 内的管件或者将其松开。
扭矩框架 310 上的卡口座 319 用于将卡瓦主体 340 可松开地连接到扭矩框架 310上。 与卡瓦主体 340 上的凹部 343 相对应的扭矩框架 310 上的突起 313 确保卡瓦主体 340 正确定位。 竖直载荷和扭矩通过卡口连接进行传递。
如图 14D、14E、14H、14I、14M 和 14N 所示，主轴 302 具有花键部 302a，其 将扭矩从主轴 302 传递到扭矩框架 310 的相应花键结构 364。 扭矩随后传递给卡瓦 374。 衬套组件 367( 主轴 302 的部分 302b 在其内部移动 ) 保持主轴 302 与扭矩框架 310 同轴。
图 14P 是如图 14N 所示系统的一部分的放大图，显示了主轴 302b 和衬套组件 367 之间的接合。
图 14Q 是如图 14N 所示系统的一部分的放大图，显示了补偿器 326a 的活塞 326p 连接到保持框架 369 上。
图 14R 是如图 14N 所示系统的一部分的放大图，显示了主轴 302 的承载肩部 307。
主轴 302 的底部螺纹 302t 将主轴 302 连接到心轴 370c 上，所述心轴 370c 提供用 于灌注和循环工具 370 的连接装置。 灌注和循环工具 370 具有泥浆阀 372，其在管件进入 系统时自动打开以在管件插入工具时给管件 ( 例如，套管 ) 灌注钻探泥浆，并且在取出管 件时自动关闭以防止发生泥浆泄漏。
卡瓦控制系统包括水平梁 360、拨盘组件 380、致动阀 378、动力卡瓦缸筒设备 350a-350c 和歧管 352a-352c。 突起 382 从水平梁 360 的部分 384 伸出。 突起 382 同时 移动，提供 “下推” 力以利用来自卡瓦缸筒设备的作用力使卡瓦 374 接合在管件上，并 且允许在卡瓦 374 不在管件上滑移 ( 或发生最小程度的滑移 ) 的情况下施加扭矩。 在图 18C 中，突起 382 显示为与卡瓦 374 的顶部接触。 拨盘组件 380 具有管状结构，所述管状 结构具有套在心轴 370c 上的同心内管 380t。 角撑板 380b 使内管 380t 相对于外管 380r 定 位，并且支撑底板 380a。 工具 370 的致动板 380p( 例如，参见图 18A) 附接到底板 380a 上。
图 15A-15F 显示了连接件倾斜组件 320、转节组件 308 及其零部件的各个细 节。 扭矩辅助组件 305 包括具有滑动构件 402 的滑动组件 400，所述滑动构件均连接到 滑动臂 404 上，所述滑动臂连接到稳定环 406 上，所述稳定环利用螺栓 408 固定到连接 件倾斜组件 320 的适配环 412 上。 滑动构件允许在钻架中适应不同的导向梁布置，并 且允许适应各种顶部驱动扭矩反作用梁。 组件 305 还将枢转臂固定在希望的朝向和方 向。 适配环 412 利用螺栓 422 固定在可转动轴承 412a 的一侧上，另一侧用螺栓固定到 连接件倾斜框架 414 上。 固定到位于稳定环 406 上的安装架 418 上的松紧螺旋扣设备 (Turnbuckleapparatuses)416 允许相对于导向梁 GB 调节滑动臂。
滑动构件 402 在导向梁 GB 上进行上下运动 ( 图 14B)。 岐管 316 固定到连接件 倾斜框架 414 上。 载荷保持岐管 424 直接连接到缸筒设备 312 上并且在软管断裂时防止 连接件倾斜组件 320 移动。 载荷保持阀 424a( 示意性地显示 ) 防止液压流体流出缸筒设 备，除非阀 424a 接收到控制信号。 支架 426 在同步移动的臂 322 之间延伸。 连接件倾 斜框架 414 支撑服务环路隔板 430 和用于服务环路的连接装置 446 ；并且例如当系统处于 水平位置或者位于平面上时保护系统的部件。
转节接头配件 438 允许缸筒设备 312 在不受岐管 316 和设备 312 之间的软管限制 的情况下进行旋转运动。包括主体 414 的连接件倾斜转节 440 允许多个压力回路 ( 例如，八个 ) 在连接件 倾斜组件 320 和旋转扭矩框架 310 之间流体连通。
连接件倾斜转节 440 包括外部主体 440j、杆部 440a、密封 440b、轴承 440c、挡 圈 440d、盖板 440e 和防尘罩 440f。 杆部 440a 利用肩部 440g 定位在主轴 302 上并且固定 就位，例如，利用摩擦锁紧卡子 440h( 图 17C)。 肩部 440g 和卡子 440h 将竖直载荷从连 接件倾斜组件 320 传递给主轴 302。 在压力经过转节之前，通过阀 440i( 图 15A) 降低了 进气道歧管 316b 中的液压。 这会降低密封上的压力，从而延长其寿命。 随后利用液压 增压器 491( 图 14H) 将压力增大到所需工作压力以提供用于希望操作的足够动力。
提升环 442 连接到连接件倾斜框架 414 上。 连接到进气道歧管 316b 上的压力过 滤器 452 接收来自服务环路的承压流体并将其输送到进气道歧管 316b。 过滤器 452 可以 防止系统的加压液压回路受到颗粒污染。 过滤器调节器 454 控制从服务环路供给到气动 补偿器 326a-326c 的空气压力。 进气道歧管 316b 给系统中的液压元件提供液压油分配和 各种控制功能。
图 15E 显示了动力缸筒设备 312 连接到连接件倾斜框架 414 上。 销 462 将设备 312 的端部固定到框架 414 上。
图 16A 是卡瓦主体 340 的顶视图，图 16B 是底视图。 主体 340 上的卡口座 464 和扭矩框架 310 上的卡口座一起作用以将主体 340 固定到扭矩框架 310 上。 闭锁装置 472 与扭矩框架 310 的突起 313 可移动地接合，从而在维修期间可松开地固定卡口座。
润滑脂嘴 479 提供用于给卡瓦 374 注润滑脂的润滑口。 接收装置 318( 或 “导向 喇叭口” ) 利用螺栓 476 固定到主体 340 上。 螺栓 477 将底部导向装置 377 固定到主体 340 上。 凹部 478 是用于减轻重量的可选铸造空隙。
图 16C 显示了用于将闭锁装置 472 固定在适当位置的锁销 474。 销 482 将销 474 固定在适当位置。 润滑脂嘴 481 用于润滑闭锁装置 472。 销 473 将闭锁装置 472 锁定在 接合位置。
如下所述的卡瓦 374 定位在主体 340 内的内部卡瓦座 (bowl) 通道 485 中。
图 18A 显示了图 14A 所示系统的一部分。 扭矩框架 310 容纳具有阀 378 的检测 阀设备，所述阀在拨盘组件 380 邻近检测阀设备 378 时通过与拨盘组件 380 接触而操作。 拨盘组件 380 围绕心轴 370c。 阀 378 将液压动力流体导向连接到扭矩框架 310 上的设备 350a-350c( 例如，参见图 7A、7B 中的设备 220 的连接装置 )。
三个卡瓦 374 围绕卡瓦座 485 间隔布置 ( 如图 16D 示意性显示的那样 )。 每个 卡瓦 374 枢转连接到连接件 376( 其与这里公开的任何连接件类似，包括但不限于图 7A、 8A 和 8B 中的连接件 ) 的下端。 每个连接件 376 的上端枢转连接到水平梁 360 上。 出于 说明目的，图 18A 中显示了没有连接件 376 的一个卡瓦 374( 图 18A 中右侧的卡瓦 )。
工具 370 包括泥浆阀 372。
图 18B-18D 显示了根据本发明的方法中的步骤。
当管件进入位于系统 300 底部的接收装置或导向喇叭口 318 并且在卡瓦主体 340 和扭矩框架 310 内部继续向上移动时，自动执行卡瓦 374 的安放。 当管件接触拨盘组件 380 时，开始向上推动拨盘组件。 拨盘组件 380 由心轴 370c 导向，所述心轴不仅引导拨 盘组件 380，而且起到适配器的作用以允许附接各种形式的灌注和循环工具。当使用工具370 时，拨盘组件 380 通过螺栓固定到工具致动板 ( 图 18A) 上，并且在拨盘组件 380 向 上移动时打开工具 370( 打开泥浆阀 372)。 当管件从系统 300 取出时，拨盘组件 380 随管 件下降，从而封闭工具 370 并防止或大大减少了泥浆外溢。 当拨盘进一步向上移动时， 它与检测阀设备 ( 在一个方面，检测阀设备具有凸轮操作阀 378，当拨盘通过套管或其它 管件向上推入工具中足够远的距离时，所述凸轮操作阀能够由拨盘 380p 致动 ) 接触，所 述检测阀设备随后将液压流体从岐管 352a-352c 导向卡瓦缸筒设备 350a-350c，其将水平 梁 360 和卡瓦 374 向下推动到与管件接触。 当卡瓦 374 已经接触管件时，水平梁 360 上的 突起 382 随后与卡瓦 374 的顶部接触，卡瓦缸筒设备中的作用力施加给卡瓦 374 以增大夹 持力并允许通过卡瓦 374 施加扭矩。 杆 378c( 图 14T) 利用 U 形钩附接到水平梁 360 上， 所述杆固定在竖直位置并且由安装在支架 378d 中的辊子 378e 引导。 位于支架 378d 上 的孔中的滚珠 378b 卡在杆 378c 和凸轮阀 378 上的弹簧加载致动器 378a 之间。 当卡瓦接 近其最终位置时，水平梁 360 已经将杆 378c 拉下，并且阀致动器 378a 中的弹簧力将滚珠 378b 推入杆中的凹窝 378f 中。 这允许致动器 378a 移动阀 378 以将承压流体导向增压器 491，该增压器增大卡瓦缸筒设备 350 中的压力以进一步增大作用在管件上的夹紧力。 当 卡瓦缸筒设备中的压力达到预定值时，它使活塞移动以致动顺序阀，其将中等压力 ( 大 约 800psi) 流体导向卡瓦安放反馈管线，所述卡瓦安放反馈管线连接至控制面板 730 上的 卡瓦安放指示装置 730f。 因此，卡瓦安放指示装置通知操作人员已经满足卡瓦成功安放 的两个标准 ：1) 卡瓦处于其最终安放位置，2) 卡瓦缸筒设备中的压力处于使夹紧力达到 最大所需的水平。
如图 18A 所示，系统 300 预位关闭 (armed to close)( 当操作人员将操作面板 ( 参 见图 19) 上的控制阀手柄移动到 “卡瓦安放” 位置时发生 “预位关闭” ；此时，卡瓦还 没有安放 ；作为替代，阀 378 “预位”，使得当它与拨盘组件 380 接触时，它将液压流 体导向卡瓦缸筒以安放卡瓦 ) 并且补偿器 326a-326c 处于中间行程 ( 轴 302 的花键部分位 于扭矩框架 310 的花键部分 364 上 )。 拨盘组件 380 位于检测阀设备下方，泥浆阀 372 关 闭以阻止流体从轴 302 的中心通道流向工具 370 的底部。 卡瓦 374 靠在卡瓦座 485 的侧 面。
图 18B 显示了管件，例如一段套管 C，穿过接收装置或导向喇叭口 318 以及底部 导向装置 377( 由于套管周围的系统下降 ) 进入系统。 底部导向装置 377 为可选的并且在 某些方面是具有贯穿的内部通道的圆形管段，所述内部通道具有与被下送管件紧密配合 的内径。 图 18C 显示了检测拨盘组件 380 的检测阀设备的阀 378，所述拨盘组件已经移 动到阀 378 附近。 检测阀 378 竖直定位在扭矩框架 310 中，使得当拨盘组件 380 使阀致 动时，它使卡瓦 374 安放在管件上的正确竖直位置处。 这避免了对管件以及管件联接器 的损坏，例如，由于将卡瓦安放在管件上的错误位置处引起的损坏。
卡瓦缸筒设备 350a-350c 致动，并且使水平梁 360 向下移动，使得突起 382 接触 卡瓦 374 的顶部，所述卡瓦绕连接件 376 枢转到位于突起 382 下方的位置。 进一步向下 运动使卡瓦 374 移动到与套管 C 的外部接触。 补偿器 326a-326c 仍然处于中间行程 ( 轴 302 未相对于花键部分 364 上的扭矩框架 302 移动 )，泥浆阀 372 打开，目前由检测阀设 备检测的拨盘组件 380 处于 “高” 位置。
如图 18D 所示，卡瓦 374 安放在套管 C 上，补偿器 326a-326c 在轴 302 相对于扭矩框架 310 移动时移动到其行程末端，随轴 302、工具 370 和泥浆阀 372 一起运动。 现 在可以利用顶部驱动对套管 C 进行操作 ( 例如，对扣，旋转和加扭矩 ) 以使下送工具系统 和目前附接上的套管旋转。 利用根据本发明的系统进行根据本发明的操作不限于这些功 能，并且可以包括涉及提升和 / 或下降套管柱 ( 或其它管件或管柱 ) 和 / 或旋转套管柱的 任何操作 ；例如，使套管柱竖向往复运动和 / 或跟管钻进。
卡瓦 374 具有主体 374a，所述主体具有四个隔开的导条 374b、374c、374d、 374e。 卡瓦座 485 具有顶部突脊 485a，其首先接收并固定在导条 374c、374d 之间，导条 374d、374e 首先支撑在卡瓦座 485 的锥形凹部 485b 中。 如图 18C 所示，当卡瓦 384 朝向 套管 C 移动时，导条 374b、374c 移动到邻近突脊 485a 的锥形内表面 485c，导条 374d、 374e 移动到邻近卡瓦座 485 的凹部 485b 的锥形内部。 锥形表面有助于卡瓦 374 移动到 接触套管 C，当卡瓦 374 抵靠套管 C 时，卡瓦 374 抵靠这些表面可以将它们保持在适当位 置。
在根据本发明的某些方法中，例如图 1E、3 和 19 所示控制系统的控制系统利用 操作人员输入控制各种功能。 操作人员输入可以是电气或手动 ( 液压 / 气动 ) 的。 在根 据本发明的一种方案，电气方案中，控制面板与部件、开关、触摸屏等一起使用以提供 操作员接口并且通过电缆连接到根据本发明的工具上。 根据本发明的机械方案利用包含 液压 / 气动致动器、阀和指示装置的控制面板并且通过多通道服务环路连接到管件下送 工具上。 可以利用辅助指示面板 ( 本地或远程定位 ) 以给钻探工 ( 例如，参见与钻探工 相关的图 19) 或其他相关人士提供指示和反馈信息。 辅助指示面板可以通过电气、液压 或气动方式操作。 图 19 显示了系统 700 的总视图。
服务环路 710( 参见图 19 和 21A-21C) 具有一组布置在基本圆形横截面中并由保 护套包裹的不同直径的液压和气动软管 712。 例如，十根软管成组构成服务环路。 服务 环路 710 可以具有不同长度以适应各种钻台应用和钻架中的竖直位移要求。 服务环路 710 中的每根软管 712 在管件下送工具 720 和控制面板 730 之间输送用于特定功能或反馈信号 的流体。 在一个特定方面，单根软管 712 的端部终止于快卸接头 714，其允许以唯一一种 正确方式将一端连接到管件下送工具 720，另一端连接到控制面板 730 上，从而防止软管 712 的错误连接。
服务环路 710 利用一个、两个或以上的环路吊架 711 将服务环路 710 定位在钻架 中，并且将服务环路 710 的端部支撑在管件下送工具 720 上。 这些吊架 711 附接到位于 钻架中和 / 或顶部驱动上的适当支架上，从而允许在钻架中进行正确的竖直移动，以及 防止与钻架中的其它钻台设备发生缠绕。 在一个特定方面，吊架 711 制造成具有足够半 径的弯曲或 “U”形形状，以允许服务环路 710 的 180 度弯角，以及不会因为软管 712 上 的过小弯曲半径而损坏服务环路 710。
控制面板 730 提供致动器和指示装置以允许操作人员正确地控制管件下送工具 720。 面板 730 设计成利用清楚、易读的标记在钻台环境下容易使用，并且即使在戴手套 的情况下也能容易地进行控制。 面板 730 提供下列操作功能、指示装置以及用于实现某 些功能的可动手柄 ( “CRT” 表示管件下送工具或套管下送工具 ) ： · 用于 CRT 卡瓦 打开和卡瓦预位关闭的手柄 730a ·用于单根吊卡打开和吊卡预位关闭的手柄 730b ·用于 卡盘 701 打开和卡盘关闭的手柄 730c · 用于连接件倾斜装置提升和下降的手柄 730d，具有位置保持特征。 手柄 730d 还起动连接件倾斜装置 703 浮动功能 ( 其中，连接件倾斜缸 筒 312 上的锁紧阀 424a 打开 )，其允许连接件倾斜装置根据由管件施加的外载荷跟随管件 竖直向上和向下移动 ·选择所用卡盘 701 类型的选择阀 730e( 有或没有卡瓦关闭的反馈信 号 ) · 用于 CRT 卡瓦闭合的指示装置 730f · 用于卡盘卡瓦闭合的指示装置 730g · 用于 单根吊卡闭合的指示装置 730h ·用于 “停止下降” 的指示装置 730i，以便在管件完全进 入到 CRT 中的正确位置时，告诉钻探工 D 使 CRT 在管件上停止下降 ·指示气动供给压力 的压力表 730j · 指示液压供给压力的压力表 730k · 液压供给停止和隔离阀 730l · 用于 从面板 730 给 CRT 提供压力的液压隔离阀 730m( 选择性地，位于铰接防护盖 PC 下 ) ·给 操作人员指示 “信号” 和 “无信号” 的起跳式按钮
使用来自下送工具 720、卡盘 701 和单根吊卡 702 的反馈信号操作指示装置。 在 某些方面，指示装置具有简单的弹簧偏压缸筒，其在施加压力时伸展或缩回并且在压力 去除时通过弹簧力返回原始位置，或者为能够旋转并根据压力施加显示不同颜色的 “气 泡” 指示装置，或者为在施加或释放压力时通过压力开关或其它传感装置打开或关闭的 电灯。
面板 730 安装在机架 739 上，以将面板 730 定位在用于操作人员 O 的便利工作高 度处。 机架 739 还容纳和保护部件，并且提供用于服务环路 710 的安装和连接点以及液 压和气动供给管线接头。 面板 730 可以按照多种方式安装以与钻台接合 ；即，附接到壁 上，由关节臂支撑，独立地支撑在钻台上，等等。 在一个方面，下送工具 720、卡盘 701 和单根吊卡 702 控制手柄具有弹簧加载锁 定机构以将手柄锁定在它们的每一工作位置。 闭锁装置通过将锁销从相应狭槽中拉出而 解锁，从而使手柄移动。 这可以防止由于撞击面板、外物掉在面板上等情况造成的误操 作。
下送工具 720、卡盘 701 和单根吊卡 702 控制手柄还包含 “闸门 (gate)”特征以 使手柄相互联锁，并且防止工具误操作以及管件或管柱脱落的可能。 手柄直接连接到控 制阀的阀芯的一端，使得推拉手柄给阀芯提供轴向移动。 阀芯运动打开和关闭将流体流 导向正确功能的阀的工作端口。 在阀芯的相对端安装有锁紧套筒，其与阀芯一起轴向移 动。 锁紧套筒具有成形开口以容纳锁销。 锁销垂直于锁紧套筒安装并且穿过锁紧套筒开 口。 锁销与弹簧和活塞一起定位在其孔中，允许锁销与锁紧套筒接合和脱离。 当锁销沿 一个方向移动时，锁销上的突起与锁紧套筒上的配合凹部接合，从而防止锁紧套筒和阀 芯轴向移动。 这可以有效阻止阀致动并且防止由阀控制的功能起作用。 当锁销沿相反的 方向移动时，锁销上的突起与锁紧套筒上的凹部脱离，从而允许锁紧套筒和阀芯沿轴向 方向不受阻碍的移动。 这可以允许阀致动和将流体导向选定功能。
通过给位于锁销的每个端部处的活塞施加流体压力来控制锁销运动。 弹簧控制 锁销的非承压位置。 通过将流体压力从阀的致动端口正确地导向适当活塞，阀芯可以 锁定在特定位置以免移动，从而防止由阀芯控制的功能起作用。 各种功能可以 “选通 (gated)” 以防止操作，除非另一功能处于特定状态。
图 23A-23F 显示了根据本发明的阀系统 600，具有阀体 601、闸门组件 603 和手 柄 602( 或控制把手 )，该手柄直接连接到阀芯 604 的一端，使得推拉手柄 602 给阀芯 604 提供轴向移动。 手柄 602 在控制把手主体 605 内移动。 阀芯运动打开和关闭将流体流导
向正确功能的阀系统 600 的工作端口 606。 在阀芯 602 的相对端安装有锁紧套筒 608，其 与阀芯 604 一起轴向移动。 锁紧套筒 608 具有成形开口 612、614 以容纳锁销 610。 锁销 610 垂直于锁紧套筒 608 安装并且穿过锁紧套筒开口 612、614。 锁销 610 与弹簧 616、 618 和活塞 622、624 一起定位，允许锁销与锁紧套筒 608 接合和脱离。 当锁销 610 沿一 个方向移动时，锁销 610 上的突起或杯状物 620 与锁紧套筒 608 上的配合凹部 626 接合， 从而防止锁紧套筒 608 和阀芯 604 轴向移动。 这可以有效阻止阀系统 600 致动并且防止 由阀控制的功能起作用。 当锁销 610 沿相反的方向移动时，锁销 610 上的杯状物 620 与 锁紧套筒 608 上的凹部 626 脱离，从而允许锁紧套筒 608 和阀芯 604 沿轴向方向不受阻碍 的移动。 这可以允许阀致动和将流体导向选定功能。
通过给位于锁销 610 的每个端部处的活塞 622、624 施加流体压力来控制锁销 610 的运动。 弹簧 616、618 控制锁销的非承压位置。 通过将流体压力从阀的致动端口 ( 经 具有适当管道和软管的管道接头 ) 正确地导向适当活塞 622、624，阀芯 604 可以锁定在 特定位置以免移动，从而防止由阀芯 604 控制的功能起作用。 当控制面板 730 上的多个 阀使用阀芯锁定特征时，阀芯可以相对于彼此 “选通” ( 或联锁 )。 阀芯将被锁定以防 移动，防止由其控制的功能起作用，除非其它阀芯处于特定位置。 螺栓 632 将闸门组件 603 附接到阀上。 螺栓 633 将锁销壳体 634 固定到闸门组件 603 上。 螺栓 635 将锁紧套 筒 608 固定到阀芯 604 上。 图 23C 显示了与凹部 626 的边缘接合的杯状物 620。
图 24 显示了与根据本发明的系统的单根吊卡 ( 例如，吊卡 1、60、330、702) 一 起使用的根据本发明的一个循环系统 650，所述循环系统给系统控制系统 ( 例如，这里公 开的任何控制系统 ) 和 / 或系统控制面板 ( 例如，控制面板 730 或 730a 或者这里公开的 任何控制面板 ) 提供反馈。 箱子 I 中的阀和部件是根据本发明的吊卡的部件，箱子 II 中 的阀和部件是用于根据本发明的管件下送系统的控制系统的一部分。 吊卡具有可通过闩 销缸筒和钳夹移动的闩销。
在一个方面，闩销缸筒由弹簧偏压到起始 ( 闭合 ) 位置，并且是平衡区域致动器 (balanced area activator)。 箱子 I 中的阀如下 ：DL1 ：三向阀，其可以通过控制面板手柄 机械移位以使吊卡闩销闭合，并且产生指示闩销处于闭合位置的信号。 DJ1 ：三向阀， 其可以通过控制面板手柄机械移位以使吊卡钳夹移动。 PCX ：减压 / 安全阀 ( 例如，设 定在 750psi 设置值 )，其限制来自管线 XP 中的阀 DL1 的吊卡闭合反馈信号。 X2 ：止回 阀。 XP ：止回阀。 X1 ：止回阀。 T ：止回阀。 SVX ：三向顺序阀 ；当管线 XP 中的 压力升高 ( 例如，1500psi) 时，该阀将使闩销移动到闩销打开位置，其中，吊卡钳夹自由 移动。 CVX ：止回阀，其阻断管线 XP 中的高压，并且将吊卡开放回路与吊卡闭合区段 隔开。 过滤器 FLP 保护阀 DJ1。 过滤器 FLX 保护阀 SVX。
在一个方面，吊卡 60( 例如，如图 1A 所示 ) 和根据如上所述本发明的其它系统 所示的其它吊卡可以是如图 1G-1K 所示的已知现有技术的吊卡 60a。 具有主体 60x 的吊 卡 60a( 图 1G-1N) 具有可通过闩销缸筒 60c 移动的闩销 60b 和一对在打开和闭合位置之 间枢转的钳夹 60d。 钳夹 60d 通过来自一对钳夹定位器 60e 的弹性作用力保持在打开或 闭合位置。 当钳夹闭合时，闩销 60b 由弹性作用力定位以阻止钳夹旋转，从而防止钳夹 60d 打开。 吊卡具有液压 P、回流 T 形接头 ( 参见图 24) 和单独的控制管线接头 ( 参见图 24)。 在一个方面，控制管线 XP 连接到位于操作员控制面板 730 上的调节阀 730b。 在另一个方面，当位于远程位置的操作人员通过电信号操作控制阀 SV13 时，控制管线 XP 连接到电气控制阀 ( 箱子 II 中的 SV13) 上。
钳夹定位器 60e 利用铰链销 60f 附接到吊卡主体上，允许钳夹定位器 60e 在钳夹 60d 旋转时转动。 钳夹定位器 60e、铰链销 60f 之一延伸以提供用于钳夹定位器手柄 60g 的附接点。 手柄 60g 附接到枢转销 60f 上，使得手柄 60g 与钳夹定位器 60e 一起旋转。 当钳夹 60d 到达闭合位置时，钳夹定位器手柄 60g 的旋转使其接触触发器活塞 60h，所述 触发器活塞 60h 手动致动定向阀 DJ1( 参见图 24)。 定向阀 DJ1 随后使承压流体流到定向 阀 DL1( 参见图 24)。
闩销 60b 和闩销缸筒 60c 利用铰接螺栓机械连接到闩销触发器手柄 60k 上，使得 闩销缸筒 60c 的轴向移动导致闩销触发器 60k 的枢转运动。 当闩销 60b 和闩销缸筒 60c 处于弹簧偏压初始 ( 闭合 ) 位置时，闩销触发器 60b 手动致动定向阀 DL1。 定向阀 DL1 随后使来自定向阀 DJ1 的承压流体流入控制管线 XP。 位于控制管线 XP 中的减压安全阀 PCX( 参见图 24) 将流体压力减少到中等水平，大约 750psi。 控制管线 XP 中的中等压力 连接到闩销缸筒 60c 的伸出侧，从而产生附加的作用力以将闩销固定在初始 ( 闭合 ) 位 置，以防止钳夹意外打开。 控制管线 XP 中的中等压力还引向操作员控制面板 730，在一 个方面，它使指示装置 730h 致动，通知操作人员吊卡钳夹闭合。 在另一个方面，控制管 线 XP 中的压力启动电压开关，通过电信号给远程位置提供指示。
在一个方面，控制面板 730 包括流量控制阀 FC13( 参见图 24)，其一侧连接至 控制管线 XP，另一侧连接至液压回流管线 T( 通过控制阀 730b 或箱子 II 中的 SV13，图 24)。 由于其结构性质，流量控制阀 FC13 使流过其中的流体产生压降，从而在控制管线 XP 中保持中等压力。
当操作人员将控制阀 730b( 或箱子 II 中的 SV13) 转换到 “打开”位置时，处于高 压 ( 大约 2000psi) 的流体引入控制管线 XP。 在吊卡处，流体由止回阀 CVX( 参见图 24) 阻止并且流向顺序阀 SVX( 参见图 24)。 顺序阀 SVX 具有远高于中等压力水平 (750psi) 的致动压力设定值 (1500psi)，使得高压流体 (2000psi) 驱动阀 SVX，其将高压流体导向 闩销缸筒 60c 的缩回侧。 承压流体用于缩回闩销缸筒 60c，克服弹簧 60m 的闩扣弹簧作 用力，克服作用在闩销缸筒 60c 的伸出侧上的中等压力流体，并且将闩销 60b 缩回到钳 夹 60d 后面。 这在吊卡 60a 从管件上取下时使钳夹 60d 自由旋转到打开位置。 闩销缸筒 60c 的缩回运动使闩销触发器手柄 60k 移动，释放定向阀 DL1 上的机械力以允许阀 DL1 移 位，从而将作用在闩销缸筒 60c 的伸出侧上的压力释放到液压回流 T。 当吊卡从管件上 取下时，钳夹的旋转使钳夹定位器 60e 和钳夹定位器手柄 60g 围绕铰链销 60f 旋转，从而 卸去作用在触发器活塞 60h 上的机械力并允许定向阀 DJ1 移位，以使流入的承压流体与液 压 P 隔断。
当控制阀 730b 移位到 “预位 (armed)” 位置时，它将控制管线 XP 中的流体导 向液压回流 T，从而将控制管线 XP 中的压力减少到 0psi( 或极低压力 )。 压力降低允许 顺序阀 SVX 移位，将闩销缸筒的返出端导向液压回流 T，从而释放闩销缸筒 60c 中的压 力。 闩扣弹簧 60t 现在使闩销 60b 和闩销缸筒 60c 在钳夹 60d 后面伸出，从而将钳夹 60d 保持在打开位置。 阀和钳夹位置处于 “预位”，准备在吊卡推动到管件上时重复闭合循 环。过滤器筛 FLP、 FLX 去除流体污染物以保护吊卡中的阀和液压元件。
图 1H 显示了钳夹 60d 开始接触套管 CN。 图 1I 显示了钳夹 60d 处于围绕套管 CN 的位置。 图 1J 显示了钳夹 60d 卡在套管 CN 上并且通过闩销 60b 固定在适当位置。
典型地，希望的选通功能是 ( “SJE” 表示单根吊卡 ) ： · 只有当卡盘闭合并 且 SJE 闭合时打开 CRT · 只有当 CRT 闭合时打开卡盘 · 只有当 CRT 闭合时打开 SJE
可以使用任何适当的闸门组合。 同样，使锁销移动到非承压位置的弹簧的尺寸 或位置可以设置成在活塞不承受压力时提供特定的锁定或开启状态。
在一个方面，控制面板上的按钮开关在需要时可以超驰 (overriding) 闸门。 开关 由铰接门覆盖以防止偶然致动。 致动所述开关会同时超驰所有闸门。
CRT 和 SJE 可以使用液压回路，减少了致动 CRT 中的卡瓦或闭合 SJE 所需的管 线数量。 这种回路需要三种不同的压力致动卡瓦或吊卡功能和提供闭合反馈信号。 因 此，在一般需要两根软管的情况下，只使用一根服务环路软管。 高压打开卡瓦或吊卡， 当卡瓦或吊卡 “预位关闭” 时具有低或零压力，使用所述中压给指示装置提供闭合反馈 信号。 指示装置区分中压 ( 卡瓦或吊卡闭合 ) 和高压 ( 卡瓦或吊卡打开 )。
根据本发明的一个系统具有带液压回路的控制面板 730，所述液压回路提供用于 各种卡瓦位置的精确反馈信号。 使用定时缸筒 735 给控制阀 734 提供致动信号，所述控 制阀使反馈信号服务环路软管与反馈指示装置分开。 当控制阀 734 从打开 (OPEN) 转换 到预位 (ARMED) 时，服务环路软管中的残余压力将正常致动指示装置 730f 或 730h，并 且提供几秒钟卡瓦或吊卡闭合的误指示。 定时缸筒 735 和隔离控制阀 734 通过使指示装 置与软管中的压力源隔离而避免这种情况的发生。 当定时缸筒 735 移动通过其全部行程 时，给隔离控制阀 734 的致动信号消失，从而允许阀 734 移位，以使服务环路软管与指示 装置直接连接。 当卡瓦安放或吊卡闭合并且指示装置产生正确指示时，指示装置现在可 以读取服务环路软管中的中等压力。 利用布置在面板歧管中的控制阀 735v 调整流入和流 出缸筒 735 的流体流速而控制定时缸筒速度。
控制面板 730 使用歧管 732 减少管线和接头，并且提供用于服务环路接头 730s 以及液压和气动供给接头 730t 的安装位置。 压力过滤器 733 安装到岐管 732 上以去除来 自外来液压流体的颗粒污染。 选择阀 731 安装在歧管 732 上以在需要时停止液压输入。 同样，使用隔离控制阀 734 隔离来自服务环路 710 以及 CRT 720 和 SJE 702 的液压。 岐 管 732 还提供用于各种检验接头配件的安装位置 730m，以允许连接用于调试目的的压力 表和检验设备。
如图 19 所示，钻探工 D 控制顶部驱动 TDS 的速度和扭矩， “仪表盘” 监视器 705 提供管件下送工具 720 的状态指示。 钻探工 D 可以控制管件下送工具 720 的提升、下 降、旋转 ( 转动 ) 和扭矩。 钻探工 D 接收来自管件下送工具 ( 来自从控制面板 730 到遥 控监视器 705 的管线 705a) 的反馈，涉及 ：下送工具停止信号 ( 停止下降 ) ；卡瓦安放 ； 吊卡闭合 ( 开始提升 ) ；吊卡竖直 ( 可以看出准备对扣到管件，例如套管中 ) ；和通过卡 盘 ( 或旋转 ) 进行卡瓦安放。
管件下送工具操作人员 O 控制 ：吊卡向外倾斜 ；吊卡打开并预位 ；下送工具卡 瓦 ；和旋转和 / 或卡盘卡瓦安放。 操作人员 O 接收来自下送工具的反馈，涉及 ：下送工 具停止信号 ( 停止下降 ) ；卡瓦安放 ；吊卡闭合 ( 开始提升 ) ；和旋转或卡盘卡瓦安放。液压动力装置 “HPU ASSY” 提供用于液压驱动系统的各种功能的液压动力流 体。 钻台空气供给提供用于各种气动功能的承压空气。 在某些方面，当电动产品用于控 制面板 730 上的指示装置或遥控监视器 705 时，电能由钻台发电机或主电源提供。
图 25 和 25A-25C 示意性地显示了根据本发明的系统 500，其包括可以用在根据 本发明的系统中并与其一起使用的各种部件和液压回路。
液压 / 气动转节 ( 例如，与如上所述的图 17A 所示转节组件 155、转节组件 308 和转节组件 440 类似 ) 提供从系统的固定部分到旋转部分的流体通道。 补偿器组件 502( 与如上所述的补偿器 326a-326c 类似 ) 将工具和管件的重量传递给主轴以减少连接装 卸期间作用于管件螺纹上的载荷。 气动先导定向阀 503 在其行程到达中间行程位置时有 选择地切断给补偿器组件 502 的空气供给，将系统保持在 “开始” 位置。
具有液压先导装置的空气定向阀 504 根据来自操作人员的卡瓦 “打开” 或卡瓦 “预位关闭” 命令而引导气流往返于补偿器组件 502。 放气阀 505 限制由于外部施加载 荷产生于补偿器组件 502 中的气压。 安全阀 506 为安全考虑限制卡瓦缸筒组件 507 中的 液压。 卡瓦缸筒组件 507( 例如，三个组件 507，例如，与如上所述的缸筒组件 350a-350c 类似 ) 提供卡瓦 ( 例如，如上所述的任一实施例中的任一卡瓦 ) 竖直运动以夹紧和松开管 件。
液压增压器 508( 例如，与如上所述的增压器 491 类似 ) 通过转节 501 将减小的 压力增大到完全安放卡瓦所需的压力。 凸轮操作定向阀 509( 例如，与如上所述的阀 378 类似 ) 在与灌注和循环工具的拨盘接触时开始卡瓦安放程序并且给控制面板 ( 例如，与如 上所述的控制面板 730 类似 ) 发送 “停止下降” 信号。 凸轮操作定向阀 510 起动增压器 508 以在卡瓦完全安放时达到完全卡瓦安放压力。
梭阀 511 连通和断开用于卡瓦安放功能的再生模式。 再生模式利用来自缸筒 507 的废弃流体加快缸筒致动。 先导开启止回阀 512 防止卡瓦在系统承受有害压力脉动时 ( 例 如，当 HPU 循环断断续续时 ) 的某些情况下跌落。
弹簧偏压的两位阀 513 根据来自控制面板的操作人员输入 ( 选择 “打开”或 “预 位关闭” ) 使阀 509 工作或失效。 过滤器筛 514 防止增压器 508 和卡瓦安放反馈回路中 的阀受到污染。 两位三通顺序阀 515 区分用于卡瓦打开命令的高压和用于卡瓦安放反馈 信号的中压。
止回阀 516 阻止高压卡瓦打开命令进入中压卡瓦安放反馈回路。 两位三通顺序 阀 517 控制卡瓦安放反馈信号并且以在预定卡瓦安放压力下产生运动的面积比由机械活 塞致动。两位式制动定向阀 518 根据管件与阀 509 接触或者来自控制面板的操作人员 “打 开” 命令确定 “预位关闭” 模式或者 “打开” 模式。 两位式液压先导载荷控制阀 519 控制流体流向卡瓦缸筒组件 507 的下侧，并且在由阀 509 引导时，允许流体流向缸筒并且 安放卡瓦。 两位式液压先导载荷控制阀 520 控制流体流向卡瓦缸筒组件 507 的上侧，并 且在由来自控制面板的卡瓦打开命令进行流体引导时，允许流体流向缸筒以打开卡瓦。
安全阀 521 在卡瓦打开时提供冗余安全释放特征并且防止在卡瓦缸筒组件 507 的 上侧形成过大压力。 先导关闭止回阀 522 与梭阀 511 协同作用以将来自卡瓦缸筒 507 上侧 的废弃流体导向下侧 ( 再生 ) 以加快卡瓦安放功能。 两位式液压先导载荷控制阀 523 在 卡瓦安放时保持卡瓦缸筒的卡瓦下侧上的高压并且通过卡瓦打开命令打开，释放卡瓦缸筒中的压力。 如果主液压动力消失，先导关闭止回阀 524 释放卡瓦缸筒下侧上的压力， 防止系统中的压力存滞，从而防止工具锁定在管件上。
孔口 526 控制用于卡瓦向上运动的流体流动。 活塞致动器 527 使顺序阀 517 移 动和致动，从而在卡瓦缸筒设备中形成高压时将中等压力卡瓦安放反馈信号导向控制面 板中的指示装置。
检验接头配件 530 提供用于检验表和其它检验设备的连接点。
岐管 531、532、533( 例如，与如上所述的岐管 352a-352c 类似 ) 提供用于各种 阀、缸筒和接头配件的液压管道连接和安装位置。
图 26 和 26A-26B 示意性地显示了根据本发明的系统 660，其包括可以用在根据 本发明的系统中并与其一起使用的各种部件和液压回路。
压力过滤器 661( 与图 15A 所示过滤器 452 类似 ) 去除来自液压流体的污染。 空 气过滤调节器 662( 与图 15C 所示的调节器 454 类似 ) 控制通向补偿器组件的空气压力。 液压减压阀 663( 与图 15A 所示的阀 440i 类似 ) 减少流过转节组件的流体液压以延长密封 寿命。 卸压阀 664 与阀 653 协同工作以在工具处于 “打开 (OPEN)” 状态时提供高压设 定值，在工具处于 “预位 (ARMED)” 状态时提供低压设定值。 进口歧管 665( 与图 15A 和 15B 所示歧管 316b 类似 ) 包括过滤器 661、调节器 662 和阀 663。 分配歧管 666( 与图 15C 所示歧管 316 类似 ) 包括如下所述的部件 667、 668、669、670、671、672 和 679。 岐管 666 收集和分配液压流体往返于各种功能。
止回阀 667 防止液压流体由于系统高程变化而排出歧管和管线。 止回阀 668 在 歧管 666 中形成高压区以确保连接件倾斜缸筒在缩回时保留全部流体。 减压阀 669 减少 液压以控制连接件倾斜装置浮动应用。 止回阀 670 允许液压流体只沿一个方向流动。 卸 压阀 671 限制由外部载荷作用在连接件倾斜缸筒的缩回侧上的压力。 止回阀 672 允许流 体从连接件倾斜缸筒的封闭端流向杆端，从而在连接件倾斜缸筒处于浮动模式时使其充 满流体。
动力缸筒设备 673( 与图 15A 所示设备 312 类似 ) 伸出和缩回连接件倾斜臂。
载荷保持岐管 674 包含阀及其配件以控制液压流体往返于设备 673。
止回阀 675 允许液压流体只沿一个方向流动。 先导操作止回阀 676 允许以受控 方式从连接件倾斜缸筒中释放流体以使连接件倾斜臂 “浮动”。 载荷保持阀 677( 与如上 所述的阀 424a 类似 ) 将设备 673 保持在适当位置，在缸筒控制软管断裂时防止连接件倾 斜臂落下并且限制由外部载荷作用在缸筒封闭端上的压力。
液压 / 气动转节 678( 与如上所述的转节和转节组件 155、308 和 440 类似 ) 提供 从系统的固定部分到旋转部分的流体通道。
常开逻辑模块 679 控制流体往返于连接件倾斜缸筒的杆侧，从而控制正常伸出 / 缩回功能和浮动功能之间的不同要求。
孔口 680 控制从连接件倾斜缸筒流出的流体速度，以在浮动模式下控制连接件 倾斜臂的下降速度。 孔口 681 提供流体排放通道以防止连接件倾斜缸筒伸出管线中的压 力存滞，这会妨碍缸筒完全缩回。 孔口 682 限制从浮动信号管线流出的流体。
检验接头配件 683 提供用于检验表及其它检验设备 ( 未显示 ) 的连接。
止回阀 684 防止压力浪涌 ( 例如，储箱压力浪涌 ) 进入旋转部分回路。
图 22A、22B 和 22C 示意性地显示了根据本发明的系统 900，其可以用在根据本 发明的上述系统中并与其一起使用。
控制阀 901( 与图 22 中的阀 730d 类似 ) 控制根据本发明的管件下送系统或根据本 发明的 “CRT” 系统的连接件倾斜臂的 “伸出” 和 “缩回” 功能。 控制阀 902( 与图 22 中的阀 730d 类似 ) 控制连接件倾斜臂的 “浮动”功能。 控制阀 903( 与图 22 中的阀 730d 类似 ) 控制 SJH 吊卡的 “预位” 和 “打开” 功能。 控制阀 904( 与图 22 中的阀 730f 类 似 ) 控制卡瓦的 “预位” 和 “打开” 功能。 控制阀 905( 与图 22 中的阀 730g 类似 ) 控 制 “卡盘” 功能， “卡瓦向上” 和 “卡瓦向下”。 控制阀 ( “超驰阀” )906( 与图 22 中的阀 730m 类似 ) 是手动阀，其通过阀 911 给闸门组件 934 提供 “超驰” 功能 ( “打 开” )，给闸门活塞 907 加压。 阀 901-906 可以手动操作。
闸门活塞 907( 与如上所述的活塞 622 类似 ) 是闸门组件中的活塞，用于锁定锁 紧套筒和阀芯，例如处于 “闭合” 位置。 活塞 908( 与如上所述的活塞 624 类似 ) 是闸 门组件中的活塞，用于松开锁紧套筒和阀芯，例如允许阀芯移动到 “打开” 位置。
手动操作装置 909 可以手动操作以打开闸门组件，例如，进行修理或故障检 查。 在一个方面，操作装置 909 连接到由超驰阀 906( 手动操作 ) 加压的开启活塞 908 上，从而打开所有闸门和释放对所有功能的锁定。
面板指示装置缸筒 910 指示出 ：单根吊卡通过吊卡处产生的反馈信号而闭合。 梭阀 911 在 “超驰” 功能 ( 由阀 906 执行 ) 和从反馈信号装置处获得的卡盘卡瓦闭合功 能之间提供 “或” 功能。
压力控制阀 912 确定用于来自 CRT 和 SJH 功能的压力反馈信号的压力阈值。
两位四通顺序阀 913 将用于 SJH 和卡盘加压反馈信号的 “与” 功能提供给闸门 组件 934。
两位四通顺序阀 914 确定用于卡盘闭合压力反馈信号的压力阈值并且在卡盘受 控 “向上 (UP)” 时不起作用 ( “关闭” )。
压力控制阀 915 限制用于某些卡盘 “卡瓦向上” 输出的输出压力。 止回阀 916 在卡盘 “卡瓦向下” 致动时提供用于流体流动的回流路径。 压力控制阀 917 限制用于 “连接件倾斜装置伸出” 功能的输出压力。 止回阀 918 在卡盘 “连接件倾斜装置缩回” 致动时提供用于流体流动的回流路径。
先导流体安全装置 919 与孔口 921 协同工作，在来自 CRT/SJH 功能的反馈压力 致动时关闭，并且在 SJH “打开” 命令致动时先导 “打开”。
两位四通顺序阀 920 在出现来自一种功能的反馈信号 “闭合”时使指示装置 910 起作用，直到来自定时缸筒 924( 如下所述 ) 的定时功能完成时使指示装置不起作用。
具有无逆向止回装置 (free reverse check) 的孔口 921 与安全装置 919 协同工作以 在存在反馈流体流时增大压力，使安全装置 919 能够关闭并且提供用于 “打开” 命令的 自由流体流动。
具有无逆向止回装置的孔口 922 与孔口 923 和定时缸筒 924( 与图 22 中的定时缸 筒 735 类似 ) 协同工作以提供用于安全装置 919 的定时 “打开” 先导信号，从而在从高 压 “打开” 命令转变为接近零压力 “预位关闭” 状态时提供服务环路泄压。
三通手动操作阀 925( 与图 22 中的阀 730e 类似 ) 提供用于 CRT 操作装置的 “或”逻辑功能以调节 CRT 控制面板，使得它可以接受不同的卡盘闭合反馈系统。
卡盘输出 926 是与多种 ( 例如，三个 ) 推荐的卡片类型 ( 例如但不限于 National Oilwell Varco 卡盘 PS 21， FMS 275 和 FMS 375) 的规格相匹配的各种出口。
止回阀 927 防止流体在液压停止时回流。 压力控制阀 928 限制系统的输入压力。 断流阀 929 能够隔离 CRT 和 SJH 的手动压力输入。
过滤器 930 给整个液压系统提供防止污染的措施。
断流阀 931 能够使主流体流与整个系统的液压动力源隔离。
歧管块 932 提供用于各种阀、缸筒和接头配件的液压管道连接和安装。 组件 933 包括阀 901-905 并且提供用于闸门组件 934 的安装接口。
闸门组件 934 根据系统各种功能的状态使组件 933 上的操作装置手柄锁定和开 启。
手动操作空气关闭阀 935 能够隔离从空气动力源到系统的补偿器组件的主空气 流。 检验接头配件 936 提供用于检验表及其它检验设备 ( 未显示 ) 的连接点。
图 27A-27F 显示了根据本发明的管件下送系统 1000，其包括管件下送工具的 电气方案 1002，具有与如上所述的任一系统类似的卡瓦系统和卡瓦安放系统 1004。 系 统 1000 包括顶部驱动 1006 ；顶部驱动电气控制系统 1008 ；电动操作装置面板 1010 ；液 压和气动软管 1012 ；和电缆 1014、1016、1018 和 1020。 连接件倾斜机构 1040 具有臂 1042。
如图 27B 和 27C 所示，工具 1002 具有带用于压力开关的多芯插头 1022 的转节 1024 ；螺线管 1026 ；歧管组件 1028 ；压力开关 1030( 例如多个 ；例如在一个方面，为三 个 ) ；用于螺线管 1026 的多芯插头 1032 ；压力过滤器 1034( 例如，与如上所述的过滤器 452 类似 ) 和检验接头配件和管道连接装置 1036。
螺线管 1026 包括下列螺线管 ：1026a ：连接件倾斜装置伸出螺线管 1026b ：连接 件倾斜装置缩回螺线管 1026c ：连接件倾斜装置浮动螺线管 1026d ：SJH 吊卡打开螺线管 1026e ：CRT 卡瓦打开螺线管
图 27D 显示了与系统 1000 一起使用的触摸屏系统 1050，具有底座 1052 和带电 路接点 1056 的屏幕系统 1054。 图 27F 显示了示意性地具有网卡 1058 和电缆 1060 的系 统 1054。
工具 1002 的电气方案按照如前所述的机械方案那样起作用和工作。 电气方案 通过将控制面板的大部分液压功能放在工具上而取消了机械方案的液压控制面板 ( 例如 730)，利用螺线管激励的定向阀 1026 代替控制面板的手动操作杆控制阀，并且利用电气 压力开关 1030 感应反馈信号。 电磁阀 1026 和压力开关 1030 安装在工具 1002( 参见图 27B) 上，而不是安装在单独的控制面板上。 选择性地，如果希望的话，卡盘控制装置嵌 入用于操作 CRT 的计算机控制装置 1007 或开关控制装置中。 使用形式为服务环路的电 缆 1014、1016 和 / 或 1018 传送往返于工具 1002 的螺线管电能和压力开关信号。 电缆利 用多芯插头 1022、1032 连接到工具 1002 上，在一个方面，所述多芯插头标定为在钻台的 危险环境中使用。
操作员接口 1010 包括开关和指示灯的控制盒或者计算机接口触摸屏面板 ( 例如 1050)。 另外，通过将工具控制软件整合到顶部驱动计算机 ( 例如 1007) 中或者提供单独的计算机 1009 并使其与顶部驱动计算机联网而将操作员接口整合到顶部驱动控制系统 1008 或整个钻台控制系统中。 控制功能和状态指示器包括在顶部驱动控制装置 1008 中或 嵌入顶部驱动控制系统的计算机屏幕中。
螺线管 1026 利用新歧管组件 1028 安装在工具上 ( 例如，通过改变图 15B 中的 进口歧管组件 316b)。 歧管组件 1028 根据如上所述的手动控制面板复制液压功能选择电 路。 压力开关安装在位于岐管 1028 后面的连接件倾斜框架 1040 上并且通过管路装置连 接至反馈信号管线，开关根据感应压力关闭或打开。 利用开关打开或关闭接通或断开指 示灯或计算机输入以提供反馈信号。
螺线管的电气控制和电气反馈信号可以直接连接到控制面板 1010 的开关和指示 灯上以提供功能的直接控制，或者它们可以连接到计算机 (1007 和 / 或 1009) 上并且根据 来自操作人员的输入通过软件逻辑电路进行控制。 操作人员输入可以来自与计算机输入 连通的硬连接开关或者来自触摸屏面板。 同样，反馈信号可以同样的方式连接，通过直 接硬连接而连接到指示灯上或者连接到用于由计算机软件控制的输出的计算机输入上。
通过控制动力信号的计算机软件给螺线管 1026 提供 “闸门” 或互锁功能。 对 于直接接线应用来说，在面板上的控制开关直接控制螺线管 1026 的情况下，通过以只有 当其它开关处于特定状态时给设定开关提供电能的方式硬连接开关来实现闸门功能。
所有电气部件可以在钻台环境下的危险区域中使用。 一般地，危险区域技术要 求需要所使用的特殊电气部件巨大而笨重。 为了节省空间和减少部件数量，可以使用电 气组件，该电气组件利用多芯插头将多芯电缆组成单独的连接点。 利用将电缆 “封装” 成密封套的危险区域必要条件将其与外部环境隔离，多芯电缆可以与多芯插头连接并且 全部封装在一起以形成单个的终端点。 实现上述目的的一种方法是利用从多芯插头通向 接线箱的单根多芯电缆，多根单个的电缆从接线箱连接到单个螺线管或压力开关。 这可 以取消接线箱并且节省空间、重量和成本。
某些电磁阀控制下列功能 ：1026a、1026b ：连接件倾斜装置伸出和缩回 ( 或双 电磁阀 )1026c ：连接件倾斜装置浮动 1026d ：SJH 吊卡打开 ( 接通螺线管选择 “打开”， 断开螺线管选择 “预位关闭” )1026e ：CRT 卡瓦打开 ( 接通螺线管选择 “打开”，断开 螺线管选择 “预位关闭”) 压力开关 1023 提供下列反馈信号 ：“停止下降” CRT 卡瓦闭 合 SJH 吊卡闭合。 多芯插塞接头 1022、1032 连接两条电气服务环路 ；螺线管电力电缆 压力开关信号电缆
在本发明的范围内，电气操作面板 1010 采取各种形式，例如 ：具有操作开关和 指示灯的开关盒连接到具有图形、开关功能和指示装置的计算机控制触摸屏 ；现有顶部 驱动钻探工控制台的扩展，整合有用于每个螺线管的通 / 断开关和用于每个压力开关的 指示灯 ；具有用于每个螺线管的通 / 断开关和用于每个压力开关的指示灯的单个工具专 用控制台 ；计算机控制触摸屏面板 1054，显示图形以指示螺线管状态、操作人员选择、 指示装置状态、操作螺线管的虚按钮或开关、警告信息等 ；控制台中用于螺线管控制的 实际开关和用于指示装置状态、信息、语音报警等的计算机屏幕的组合 ；单个的计算机 控制系统 ；以及它可以与现有顶部驱动计算机控制系统接合并使用顶部驱动计算机作为 控制基础。
在本发明的范围内，顶部驱动电气控制系统 1008 为 ：控制顶部驱动的输入 / 输出功能的计算机或可编程逻辑控制器 ( “PLC”) ；其可以包括控制硬件和软件以控制顶 部驱动电机的速度和扭矩和 / 或包括用于通向顶部驱动的服务环路电缆的接线终端点。 这些可以是用于单独的独立式工具专用计算机的安装点。
在一个方面，系统 1008 提供钻台上用于工具电缆的接口点，所述电缆与顶部驱 动电缆和服务环路平行延伸 ；和 / 或当顶部驱动计算机用作工具控制基础时，系统 1008 可以给顶部驱动计算机提供接口点。
在一个方面，工具输入 / 输出利用编程输入到顶部驱动计算机中，电气操作面 板 1010 与该计算机接合。
系统 1008 可以给顶部驱动电机控制器 MC 提供接口点，所述顶部驱动电机控制 器用于控制电机转速和扭矩 ( 用于控制管件接头上紧和卸开螺纹 ) 和用于读取、显示和记 录顶部驱动电机转速 (rpm) 和扭矩以获得管件接头转速、转数和扭矩。
电缆 ( “服务环路”) 是操作工具电气功能所需的多束不同电缆，在一个方面， 包括两个电缆束，一个用于螺线管电力，一个用于压力开关信号，其与顶部驱动服务环 路平行延伸。 这些电缆包括给每个螺线管输送电力和提供来自每个压力开关的信号的电 线。 使用两个电缆束防止电力线和信号线之间的干涉。 在钻头环境下使用插塞接头提供 快速钻台安装和钻台拆卸。 服务环路连接到顶部驱动控制系统 1008 上。 提供可选的服 务环路 1020 以直接连接至单个工具操作面板上的单个开关和指示装置。
电缆 1018 连接顶部驱动计算机和 I/O 以及控制面板 1010，并且在控制面板 1010 以及顶部驱动控制系统计算机和 I/O 之间传送电力和信号以提供开关和指示装置控制。
因此，可以看到，这里公开的本发明及实施例以及由所附权利要求覆盖的技术 方案适于执行本发明的任务并获得所述结果。 在不脱离本发明精神和范围的情况下，可 以对本发明的主题进行某些改变。 应该认识到，在本发明范围内可以进行改变，还可以 想到，下列任意一项权利要求所述的每个要素或步骤是指字面上的步骤和 / 或所有等效 要素或步骤。 下列权利要求用于以其所采用的任何形式在法律上尽可能广义地覆盖本发 明。 本发明要求保护的技术方案符合 35U.S.C.§102 规定的新颖性，并且满足 §102 中的 专利性条件。 本发明要求保护的技术方案符合 35U.S.C.§103 规定的非显而易见性，并 且满足 §103 中的专利性条件。 本说明书和权利要求书符合 35U.S.C.§112 规定的必要 条件。 发明人可以根据等效原则确定和考量本发明及其权利要求的范围，它们属于不显 著脱离，但超出如下列权利要求所限定的本发明的字面范围的设备。 本文提及的所有专 利和申请在此全文引入作为参考。 申请人明确表示不援引 35U.S.C.§112，第 6 段对任意 一项权利要求进行任何限制，除非权利要求明确将词语 “用于 ...... 装置” 和相关功能一 起使用。 在本专利文献中，词语 “包括” 按照无限制的含义表示包括所述词语之后的项 目，但是不排除未明确提及的项目。 由不定冠词 “一” 修饰的要素不排除一个以上要素 的可能性，除非上下文清楚要求有且只有一个要素。