自动化起下钻装置和方法.pdf

自动化起下钻装置包括外框架和内框架。内框架包括起下钻滑动件和铁钻工。自动化起下钻装置可与升降机和绞车配合使管柱以连续运动下入。起下钻滑动件和铁钻工连同内框架可在外框架内竖直行进。管柱的重量在起下钻滑动件与升降机之间进行转移。铁钻工可组装或分开位于管状段、由升降机支承的上管状段与由起下钻滑动件支承的下管状段之间的螺纹连接。自动化钻杆操作装置可为升降机提供多段钻杆或从升降机移除多段钻杆。控制系统可控制自动化起下钻装置、升降机和绞车。

1.  一种自动化起下钻装置，包括：
外框架，所述外框架包括一个或多个竖直支承件；
内框架，所述内框架滑动联接至所述外框架，并且被设置成通过联接在所述内框架与所述外框架之间的提升机构来竖直移动，所述内框架包括：
起下钻滑动件，所述起下钻滑动件被设置成接纳管状构件以及选择性夹紧并支承所述管状构件；以及
铁钻工，所述铁钻工定位在所述起下钻滑动件之上，并且被设置成接纳所述管状构件并组装或分开所述管状构件的第一段与第二段之间的螺纹接头。

2.  如权利要求1所述的自动化起下钻装置，其中，所述铁钻工能够通过钻工提升机构在竖直方向上在高位与低位之间选择性地移动。

3.  如权利要求1所述的自动化起下钻装置，其中，所述提升机构包括液压活塞、顶开螺钉、齿条与齿轮、缆索和滑轮或动滑轮中的一个或多个。

4.  如权利要求1所述的自动化起下钻装置，其中，所述铁钻工还包括：
固定卡爪，所述固定卡爪被设置成夹紧所述第一管状段并防止所述第一管状段旋转；
组装/分开卡爪，所述组装/分开卡爪被设置成夹紧所述第二管状段并在所述第二管状段上施加高转矩低速旋转。

5.  如权利要求4所述的自动化起下钻装置，其中，所述铁钻工还包括：
钻杆旋扣器，所述钻杆旋扣器被设置成在所述第二管状构件上施 加低转矩高速旋转。

6.  如权利要求4所述的自动化起下钻装置，其中，所述铁钻工还包括：
钻杆涂覆系统。

7.  如权利要求1所述的自动化起下钻装置，还包括被设置成利用钻井液填充管状构件的管状填充装置。

8.  如权利要求7所述的自动化起下钻装置，其中，所述管状填充装置被设置在所述铁钻工上。

9.  如权利要求7所述的自动化起下钻装置，其中，所述管状填充装置包括TAM套管循环器。

10.  如权利要求1所述的自动化起下钻装置，还包括控制系统，所述控制系统被设置成控制所述提升机构、所述铁钻工和所述起下钻滑动件。

11.  如权利要求10所述的自动化起下钻装置，其中，所述控制系统被设置成还控制绞车、顶部驱动器、升降机、吊环以及自动化钻杆操纵装置中的至少一个。

12.  如权利要求10所述的自动化起下钻装置，其中，所述控制系统还包括闭环控制器，所述闭环控制器被设置成在起下钻操作期间控制所述管状构件的速度。

13.  如权利要求12所述的自动化起下钻装置，其中，所述闭环控制器响应于通过压力传感器在位于钻井孔内的所述管状构件的端部处测量的、所述钻井孔内的压力的变化来改变所述管状构件的速度。

14.  如权利要求1所述的自动化起下钻装置，其中，所述外框架被设置成沿轨道在一个或多个滚轮上水平滚动。

15.  如权利要求1所述的自动化起下钻装置，其中，所述铁钻工还包括泥斗，所述泥斗被设置成包含在分开操作之后包含于所述管状构件的所述第一段与所述第二段的上部内的任何钻井液。

16.  如权利要求15所述的自动化起下钻装置，其中，所述泥斗还包括上密封件和下密封件中的至少一个，并且所述上密封件和所述下密封件被设置成将所述泥斗的内部密封至所述管状构件。

17.  如权利要求16所述的自动化起下钻装置，其中，所述泥斗还包括排泄管道，所述排泄管道被设置成允许钻井液从所述泥斗流动至钻井液存储部。

18.  一种用于从正在从钻井孔中移除的管柱移除管状构件的方法，所述管柱由一系列螺纹连接的管状构件构成，所述方法包括：
提供自动化起下钻装置，所述自动化起下钻装置包括：
外框架，所述外框架包括一个或多个竖直支承件；
内框架，所述内框架滑动联接至所述外框架，并且被设置成通过联接在所述内框架与所述外框架之间的提升机构来竖直移动，所述内框架包括：
起下钻滑动件，所述起下钻滑动件被设置成接纳管状构件并且选择性夹紧并支承所述管状构件；以及
铁钻工，所述铁钻工定位在所述起下钻滑动件之上，并且被设置成接纳所述管状构件并组装或分开位于所述管状构件的第一段与第二段之间的螺纹接头，所述铁钻工能够通过钻工提升机构在竖直方向上在高位与低位之间选择性地移动；
在钻机的钻台上将所述自动化起下钻装置定位在所述钻井孔之 上，所述钻机包括绞车、升降机、自动化钻杆操纵装置和钻台滑动件，所述管柱延伸通过所述自动化起下钻装置；
利用所述升降机以限定起下钻速度的相对恒定的速度提升所述管柱；
向下移动所述内框架；
将所述铁钻工移动至所述高位中；
以所述起下钻速度向上移动所述内框架，以使得所述铁钻工与位于最上面的管状构件和下一管状构件之间的螺纹接头对准；
致动所述起下钻滑动件；
将所述管柱的重量转移至所述起下钻滑动件；
利用所述铁钻工分开所述螺纹接头；
远离所述铁钻工提升所述最上面的管状构件；
通过自动化钻杆操纵系统从所述升降机移除所述最上面的管状构件；
将所述铁钻工移动至所述低位；
向下移动所述升降机；
以所述起下钻速度向上移动所述升降机，以使得所述升降机能够附接至所述管状柱；
将所述管柱的重量转移至所述升降机；
释放所述起下钻滑动件。

19.  一种用于将管状构件添加至正在以恒定速率插入钻井孔的管柱的方法，所述管柱由一系列螺纹连接的管状构件构成，所述方法包括：
提供自动化起下钻装置，所述自动化起下钻装置包括：
外框架，所述外框架包括一个或多个竖直支承件；
内框架，所述内框架滑动联接至所述外框架，并且被设置成通过联接在所述内框架与所述外框架之间的提升机构来竖直移动，所述内框架包括：
起下钻滑动件，所述起下钻滑动件被设置成接纳管状构件并 且选择性夹紧并支承所述管状构件；以及
铁钻工，所述铁钻工定位在所述起下钻滑动件之上，并且被设置成接纳所述管状构件并组装或分开位于所述管状构件的第一段与第二段之间的螺纹接头，所述铁钻工能够通过钻工提升机构在竖直方向上在高位与低位之间选择性地移动；
在钻机的钻台上将所述自动化起下钻装置定位在所述钻井孔之上，所述钻机包括绞车、升降机、自动化钻杆操作装置和钻台滑动件，所述管柱延伸通过所述自动化起下钻装置，所述管柱由所述起下钻滑动件夹紧；
以限定起下钻速度的相对恒定的速度向下移动所述内框架；
向上移动所述升降机；
通过所述自动化钻杆操作系统将附加管柱构件附接至所述升降机；
将所述铁钻工移动至所述高位；
以大于所述起下钻速度的速度向下移动所述升降机，直至所述附加管柱构件的所述下螺纹连接件与所述管柱的所述上螺纹连接件对准，然后，
大体上以所述起下钻速度向下移动所述升降机；
利用所述铁钻工在所述附加管状构件与所述管柱之间组成所述螺纹接头；
将所述管柱的重量转移至所述升降机；
释放所述起下钻滑动件；
向上移动所述内框架；
将所述铁钻工移动至所述低位中；
以所述起下钻速度向下移动所述内框架，以使得所述铁钻工与所述附加管状构件的上螺纹接头对准；
致动所述起下钻滑动件；
将所述管柱的重量转移至所述起下钻滑动件；
从所述升降机释放所述附加管状构件。

20.  一种自动化控制系统，包括：
第一代码指令，所述第一代码指令改变管状构件移入或移出钻井孔的速度、限定起下钻速度的速度、响应于由定位在所述钻井孔内的所述管状构件的端部处的压力传感器测量的所述钻井孔内的压力的变化而变化的起下钻速度。

自动化起下钻装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请为非临时申请，并且要求于2012年10月22日提交的第61/716,980号美国临时申请的优先权。
技术领域
本公开总体上涉及操作钻机上的管柱，并且具体涉及在下入操作或起出操作过程中组装管柱或分开管柱。
背景技术
在石油和天然气行业，将井钻入大地中以达到深埋在地下的碳氢化合物的储层。在钻探、维修以及完成钻井孔中，采用所谓的钻杆柱。包括钻柱、套管柱、工具柱等的钻杆柱由端至端接合的、螺纹连接的多段钻杆部分组成，从而到达钻井孔的潜在的大深度。作为示例，在钻井操作中，钻柱可包括底孔组件(BHA)，其可包括钻头、泥浆电机、随钻测量(MWD)传感器阵列以及其他各种传感器、垫片和通信装置。
随着钻探进行至大地的更深处，在钻柱的顶部添加多段钻杆。通常，在添加至钻柱之前会将两个或三个30英尺长的钻杆连接至所谓的钻杆架。钻机将钻柱悬挂在钻杆滑动件上，并且使钻柱脱离绞车。钻机利用绞车将下一钻杆架提升至钻柱之上，并且除了其他方面之外，(在一些示例中)使用自动化的钻工或“铁”钻工将该钻杆架螺纹连接至钻柱，从而减少暴露在钻台上的潜在危险环境的人员。
有时，必须从钻井孔移除整个管柱。例如，如果钻头断裂、下降至钻井孔中的工具必须返回地面或钻井孔达到其目标深度，则可能需要进行这种“起出”操作。有时，相同的或新的管柱必须回到钻井孔中。例如，这种“下入”操作可将带有新钻头的钻柱放入钻井中、降低诸如封隔器的井下工具或将套管柱插入钻井孔中以完成钻井。
由于现代的井可能变得非常深，所以起出操作或下入操作可能需要使大量的螺纹钻杆接头断开连接(分开)或进行连接(组装)。传统上，相同的绞车、钻工和滑动件被用来构成或断开每个连接。因为钻机的操作可能极其昂贵，所以需要下入或起出管柱可能是成本很高的操作。另外，仅通过从钻井孔移除管柱或将管柱插入钻井孔内可能对钻井孔造成损害。例如，在某些情况下，钻井孔压力可通过井下工具的快速运动而快速升高或降低。这些通常被称为“抽汲(swabbing)”的压力波动可能导致例如储层流体流入钻井孔内或可能导致围绕钻井孔的构造中的不稳定。
发明内容
本公开提供了一种自动化起下钻装置。该自动化起下钻装置可包括外框架和内框架，其中，外框架包括一个或多个竖直支承件，内框架滑动联接至外框架，并且被设置成通过联接在内框架与外框架之间的提升机构来竖直移动。内框架可包括起下钻滑动件和铁钻工，其中，起下钻滑动件被设置成接纳管状构件并且选择性夹紧并支承管状构件，铁钻工定位在起下钻滑动件之上，并且被设置成接纳管状构件并且组装或分开位于管状构件的第一段与第二段之间的螺纹接头。
本公开还提供了用于从正在从钻井孔移除的管柱中移除管状构件的方法。管柱可由一系列螺纹连接的管状构件构成。该方法可包括提供自动化起下钻装置。该自动化起下钻装置可包括外框架和内框架，其中，外框架包括一个或多个竖直支承件，内框架滑动联接至外框架，并且被设置成通过联接在内框架与外框架之间的提升机构来竖直移动。内框架可包括起下钻滑动件和铁钻工，其中，起下钻滑动件被设置成接纳管状构件并且选择性夹紧并支承管状构件，铁钻工定位在起下钻滑动件之上，并且被设置成接纳管状构件并组装或分开位于管状构件的第一段与第二段之间的螺纹接头。铁钻工可选择性地通过钻工提升机构在竖直方向上在高位与低位之间移动。该方法还可包括：在钻机的钻台上将自动化起下钻装置定位在钻井孔之上，钻机包括绞车、升降机、自动化钻杆操作装置和钻台滑动件，管柱延伸穿过自动化起 下钻装置；利用升降机以限定起下钻速度的相对恒定的速度提升管柱；向下移动内框架；将铁钻工移动至高位；以起下钻速度向上移动内框架，以使得铁钻工与位于最上面的管状构件与下一管状构件之间的螺纹接头对准；致动起下钻滑动件；将管柱的重量转移至起下钻滑动件；利用铁钻工分开螺纹接头；远离铁钻工提升最上面的管状构件；通过自动化钻杆操作系统从升降机移除最上面的管状构件；将铁钻工移动至低位；向下移动升降机；以起下钻速度向上移动升降机，以使得升降机可附接至管状柱；将管柱的重量转移至升降机；以及释放起下钻滑动件。
本公开还提供了用于从正在从钻井孔移除的管柱移除管状构件的方法。管柱可由一系列螺纹连接的管状构件构成。该方法可包括提供自动化起下钻装置。该自动化起下钻装置可包括外框架和内框架，其中，外框架包括一个或多个竖直支承件，内框架滑动联接至外框架，并且被设置成通过联接在内框架与外框架之间的提升机构来竖直移动。内框架可包括起下钻滑动件和铁钻工，其中，起下钻滑动件被设置成接纳管状构件并且选择性夹紧并支承管状构件，铁钻工定位在起下钻滑动件之上，并且被设置成接纳管状构件并组装或分开位于管状构件的第一段与第二段之间的螺纹接头。铁钻工可选择性地通过钻工提升机构在竖直方向上在高位与低位之间移动。该方法还可包括：在钻机的钻台上将自动化起下钻装置定位在钻井孔之上，钻机包括绞车、升降机、自动化钻杆操作装置和钻台滑动件，管柱延伸穿过自动化起下钻装置，管柱通过起下钻滑动件夹紧；以限定起下钻速度的相对恒定的速度向下移动内框架；向上移动升降机；通过自动化钻杆操作系统将附加管柱构件附接至升降机；将铁钻工移动至高位；以大于起下钻速度的速度向下移动升降机，直至附加管柱构件的下螺纹连接件与管柱的上螺栓连接件对准，然后，大体上以起下钻速度向下移动升降机；利用铁钻工在附加管状构件与管柱之间组装螺纹接头；将管柱的重量转移至升降机；释放起下钻滑动件；向上移动内框架；将铁钻工移动至低位；以起下钻速度向下移动内框架，以使得铁钻工与附加管状构件的上螺纹接头对准；致动起下钻滑动件；将管柱的重量转移至 起下钻滑动件；以及从升降机释放附加管状构件。
本公开还提供了一种自动化控制系统。该自动化控制系统可包括第一代码指令，其中，该第一代码指令改变移入或移出钻井孔的速度、限定起下钻速度的速度，响应于由定位在钻井孔内的管状构件的端部处的压力传感器测量的钻井孔内的压力的变化而变化的起下钻速度。
附图说明
当结合附图阅读时可根据以下详细描述最好地理解本公开。应强调的是，根据该行业的标准实践，各种特征并未按比例绘制。实际上，为了清楚地讨论，各种特征的尺寸可任意增大或缩小。
图1是与本公开的实施方式一致的自动化起下钻装置的立体图；
图2是图1的自动化起下钻装置的横截面视图；
图3至图8A示出了与符合本公开的实施方式的下入操作相一致的操作；
图9至图12A示出了与符合本公开的实施方式的起出操作相一致的操作。
具体实施方式
应理解的是，以下公开提供了很多不同的实施方式或示例，用于实现各种实施方式的不同特征。以下描述了部件或布置的具体示例，从而简化本公开。当然，这些具体示例仅为示例，并非旨在为限制性的。另外，本公开在各个示例中可重复附图标记和/或字母。该重复是出于简化和清楚的目的，其本身并不指示所讨论的各个实施方式和/或配置之间的关系。
为了本公开的目的，管段和管柱可以指在钻井孔中使用的任何相互连接一系列管，包括但不限于，钻柱、套管柱、工具管柱等，以及它们的包括所谓的钻杆架的多个预连接段。
图1和图2示出了自动化起下钻装置101。自动化起下钻装置101可定位在钻机的钻台10上，以使得自动化起下钻装置101位于钻井孔15的正上方。在一些实施方式中，自动化起下钻装置101可直接设置 在钻台10上。在其它实施方式中，自动化起下钻装置101可被定位成通过使用(例如但不限于)轨道、滚轮、齿条或用于使自动化起下钻装置101沿钻台10水平滑动的任何其他适当装置而远离钻井孔15之上的位置移动。在一些实施方式中，自动化起下钻装置101可包括滚轮(未示出)，以沿诸如用于本领域公知的自动化钻工的轨道行进。自动化起下钻装置101可使用一个或多个电机(未示出)，以沿轨道推动其自身，或可通过外部电机(未示出)来驱动。在一些实施方式中，自动化起下钻装置101可被改装到现有钻机上，并且可利用钻机的钻台10上的现有轨道。
自动化起下钻装置101可包括外框架103和内框架105。外框架103可包括支承件107，支承件107大致竖直。内框架105可联接至外框架103，并且可能能够在外框架103内在大体上竖直的方向上滑动。在一些实施方式中，支承件107可充当轨道，其中，内框架105可沿该轨道滑动。在一些实施方式中，内框架105包括一个或多个设备以减小内框架105与支承件107之间的摩擦，包括但不限于，轴承、滚轮、衬套等。虽然被描述为“外”和“内”，但是理解本公开的益处的本领域技术人员应理解，外框架103不需要围绕、完全包围内框架105的外周界或完全在内框架105的外周界之外。在一些实施方式中，如本领域中所理解的，外框架107可联接至顶部驱动轨道，例如，将自动化起下钻装置101定位在钻井孔15之上。
内框架105由提升机构在外框架103内竖直驱动。在一些实施方式中，如图1所示，提升机构可以是联接在外框架103与内框架105之间的一个或多个液压活塞109。虽然在图中示出为液压活塞109连接至外框架103的下端并竖直向上推，但是从本公开受益的本领域普通技术人员应理解，可用液压活塞109的其他配置来替代而不脱离本公开的范围。
在其他实施方式中，提升机构可以是螺旋起重机构。在这种实施方式中，外框架103可包括一个或多个电机，如本领域所理解的，每个电机均驱动相应的导螺杆。每个导螺杆通常都竖直运行，并且联接至导螺杆螺母，其中，导螺杆螺母联接至内框架105。如本领域所理 解的，随着导螺杆进行旋转，内框架105根据导螺杆进行旋转的方向而向上或向下移动。从本公开受益的本领域普通技术人员应理解，可用任何数量的其他起重机构来替代而不脱离本公开的范围，其中，可包括但不限于缆索和滑轮、齿轮和齿条、线性致动器等。
在一些实施方式中，内框架105可包括起下钻滑动件111。起下钻滑动件111可包括强制环状件113和滑动件卡爪115。起下钻滑动件111，如在钻机上常用的传统动力滑动件，可在管柱从顶部驱动或绞车脱离连接时可释放地抓握并支承管柱(未示出)。起下钻滑动件111可为液压致动、电动、气动或以用于驱动传统的动力滑动件的任何其他合适的方法来致动。起下钻滑动件111被定位成随着内框架105在外框架103内竖直移动而竖直移动。起下钻滑动件111的操作将在下文进行描述。
在一些实施方式中，内框架105还可包括铁钻工117。如在本领域所理解的，铁钻工117，被设置成组装或分开管柱中的管状构件之间的螺纹连接。铁钻工117可包括固定卡爪119、组装/分开卡爪121和钻杆旋扣器123。如本领域所理解的，固定卡爪119可被定位成在待组装或分开的螺纹钻杆接头下方抓握下管状构件。在示例性组装操作中，上管状构件与下管状构件同轴进行设置。钻杆旋扣器向上管状构件提供相对的高速、低转矩旋转，从而将上管状构件和下管状构件螺纹连接在一起。然后，组装/分开卡爪121接合，以向上管状构件提供低速、高转矩旋转，从而例如确保管状构件之间的刚性连接。在示例性的分开操作中，组装/分开卡爪121接合上管状构件并在上管状构件上赋予低速、高转矩旋转，从而首先松开螺纹接头。然后，钻杆旋扣器123旋转上管状构件来完成拆开管状构件。
在一些实施方式中，铁钻工117还可包括泥斗125。泥斗125可被设置成限制钻井液，从而例如防止钻井液溢出到钻台10上，其中，在分开操作期间，钻井液可包含在上管状构件内。在一些实施方式中，泥斗125可包围固定卡爪119、组装/分开卡爪121和/或钻杆旋扣器123中的一个或多个。在一些实施方式中，泥斗125可包括上密封件127和/或下密封件129，从而例如防止钻井液在泥斗125与管状构件之间 流动。在一些实施方式中，上密封件127和下密封件129可以是可伸缩的，从而例如允许管状件下穿过自动化起下钻装置101而没有限制。在一些实施方式中，泥斗125联接至排泄管道131，排泄管道131允许泥斗125中含有的钻井液返回钻井液储存部。在一些实施方式中，排泄管道131可联接至真空泵，从而例如协助从泥斗125中去除钻井液。
在一些实施方式中，铁钻工117可永久附接至自动化起下钻装置101。在其它实施方式中，铁钻工117可以是在钻机的钻探操作中使用的相同钻工。在这种实施方式中，直接设置在钻台10上的铁钻工117可重新定位在内框架105上，以在起下钻操作期间使用。内框架105可包括适于可分离地接纳铁钻工117的平台。
在一些实施方式中，铁钻工117可能够在内框架105内相对于起下钻滑动件111从上位(如图2所示)竖直移动至下位。铁钻工117可由一个或多个铁钻工支承件133联接至内框架105，铁钻工支承件133可充当用于铁钻工117的竖直运动的导轨。铁钻工可由(例如但不限于)液压活塞、螺旋起重装置、齿条与齿轮、缆索和滑轮线性驱动器等竖直驱动。
在一些实施方式中，铁钻工117可包括钻杆定心器118，钻杆定心器118被设置成有助于在组装操作期间将上管状构件插入铁钻工117中。在一些实施方式中，铁钻工117可包括钻杆涂覆系统(未示出)，该钻杆涂覆系统被设置成向待由铁钻工117组装的螺纹连接的螺纹施加润滑流体(在本领域公知为钻杆参杂)。在一些实施方式中，铁钻工117可包括如下所述的下管状填充装置。
在一些实施方式中，自动化起下钻装置101可包括能够控制自动化起下钻装置101的每个系统的控制系统，自动化起下钻装置101的系统包括起下钻滑动件111、铁钻工117、内框架105的运动以及铁钻工117的运动。在一些实施方式中，控制系统还可以能够控制钻机上的其它系统，例如，包括但不限于，绞车、顶部驱动器、升降机、吊环和钻杆操作装置。在这种实施方式中，自动化起下钻装置101可以能够利用最少的操作员输入来自主地起下钻整个管柱。
为了说明自动化起下钻装置101的部件的操作，以下将对示例性下入操作和示例性起出操作进行描述。
如图3至图8A所示，在符合本公开的实施方式的下入操作中，在钻机1中，自动化起下钻装置101在钻井孔15之上定位在钻台10上。如图3所示，钻机1可包括钻台10、设置在旋转台25中的钻机台滑动件20、绞车30、动滑轮35、顶部驱动器40、升降机45、自动化钻杆操作装置50以及指板55。如本领域中所理解的，绞车30可经由动滑轮35连接至顶部驱动器40，并在钻机1内上下移动顶部驱动器40。升降机45可联接至顶部驱动器40，并且定位成连接至管状段、悬停管状段以及在钻机1内移动管状段。升降机45可包括一个或多个吊环或包，其可被选择性地致动以连接至管状段。自动化钻杆操作装置50用于在起下钻或钻探操作期间在指板55与升降机45之间移动钻杆架60。
为了开始下入操作，自动化钻杆操纵装置50可将第一管状段151定位成由升降机45进行支承。升降机45支承第一管状段151，并朝向钻井孔15降低第一管状段151。随着升降机45降低第一管状段151，自动化起下钻装置101的内框架105可在外框架103内向上移动至高位。随着内框架105向上移动，铁钻工117移动至低位，从而例如允许升降机45如下所述在内框架105内适当定位第一管状段151。
如图4、图4A所示，升降机45继续向下移动。在第一管状段151通过自动化起下钻装置101的得体中的某个点处，起下钻滑动件111与第一管状段151相接合。在一些实施方式中，随着起下钻滑动件111被接合，内框架105以与第一管状段151的速率相等的速率向下移动，从而允许起下钻滑动件111随着第一管状段继续向下移动而与第一管状部分151相接合。可选择接合起下钻滑动件111的沿第一管状段151的位置，以使得将第一管状段151的上螺纹连接件153设置在相对于内框架105的高度处，从而使上螺纹连接件153在其高位与位于铁钻工117的组装/分开卡爪121与固定卡爪119之间的点对准。
一旦起下钻滑动件111接合第一管状段151，自动化起下钻装置101就支承第一管状部分151，并且升降机45可释放第一管状段151。 随着升降机45释放第一管状段151，内框架105继续向下行进，并且将第一管状段151下降至钻井孔15内。
在一些实施方式中，自动化起下钻装置101可包括管状填充装置。如本领域所理解的，管状填充装置可设置成在管状段的开放端之上延伸，从而在组装操作期间器件随着将管状段添加至管柱而利用钻井液填充管状段。在一些实施方式中，如图4B所示，管状填充装置可包括鹅颈管135，其可在第一管状段151的开放端之上延伸，并利用钻井液填充第一管状段。在一些实施方式中，鹅颈管135可包括循环打包机，诸如连接到钻机1上的钻井液供给泵的TAM套管循环器(如由TAM国际公司生产)。在其它实施方式中，可包括作为顶部驱动器35的一部分的管状填充装置。
如图5所示，一旦第一管状段151从升降机45释放，升降机45就在钻机1内向上移动。钻杆操纵装置50从指板55取回第二管状段161，并且将其递送至升降机45。在一些实施方式中，钻杆操作装置50可在先前操作中的一个或多个操作的同时取回第二管状段161，并且，如图4所示，在“就绪位置”保持第二管状段161，直至升降机45被设置为接收第二管状段161。
如图5、图5A所示，在升降机45已经远离自动化起下钻装置101移动之后，铁钻工117关于第一管状段151延伸至其高位。如前所述，上螺纹连接件153在固定卡爪119与组装/分开卡爪121之间进行对准。在一些实施方式中，铁钻工117的位置可通过向上移动或向下移动进行微调，从而实现该定位。如图5中所示，内框架105在这些操作期间继续向下移动。
如图6所示，一旦升降机45已经接收第二管状段161，升降机45就以比内框架105的下降快的速率在钻机1内降低第二管状段161，直至第二管状段161的下螺纹连接件163与第一管状段151的上螺纹连接件相对准，此时，升降机45以与内框架105相同的速度下降。然后，如图6A、图6B所示，通过铁钻工117组装螺纹连接件153、163。在一些实施方式中，钻杆旋扣器123迅速接合螺纹连接件153、163的大部分螺纹。在其他实施方式中，顶部驱动器40可旋转第二管状段 161。组装/分开卡爪121(与固定卡爪119相结合)施加高扭矩来完成组装操作。
一旦连接完成，管柱150(目前包括第一管状段151和第二管状段161)的重量就可被完全转移至升降机45。如图7、7A所示，一旦升降机45支承管柱150，起下钻滑动件111就可从管柱150脱离接合。然后，内框架105可在外框架103内向上行进，而铁钻工117则移动返回至其如图8、8A所示的先前描述的低位，随着升降机45继续下降而准备接纳钻杆柱150的上端。钻杆操作装置50可同时取回将在下一组装操作中添加至钻杆柱150的第三管状段171。
为每个管状段重复上述过程，直至管柱150在钻井孔15中到达期望的长度。此时，钻台滑动件20重新接合管柱150。内框架105可在外框架103内向上移动，直至其比管柱150的最上端高。然后，自动化起下钻装置101可远离钻井孔之上的位置移动，并且可执行其他钻机操作，包括例如钻探、套管固井、完井等。
在符合本公开的实施方式的起出操作中，如图9至图12A所示，在钻机1中，自动化起下钻装置101在钻井孔15之上定位在钻台10上。如图9、图9A所示，由钻台滑动件20保持的管柱250在钻台10之上延伸至远到足以使得升降机45可在其如上所述的低位在铁钻工117之上连接至管柱250的上端。
在一些实施方式中，在内框架105在外框架103内位于低位的情况下，起下钻滑动件111与管柱250相接合，并且随着内框架105在外框架103内向上移动，管柱250首先由自动化起下钻装置101提升。在其他实施方式中，升降机45与管柱250接合并开始向上移动管柱250。随着开始从钻井孔15提升管柱250，钻台滑动件20脱开接合，从而允许起下钻滑动件111或升降机45支承管柱250的重量。
如图10、图10A所示，管柱250初始由自动化起下钻装置101提升。随着管柱250向上移动，升降机45在以与内框架105相同的速率向上移动的同时附接至管柱250。管柱250的重量被转移至升降机45，并且起下钻滑动件111脱离接合。
如图11所示，随着升降机45继续提升管柱250，内框架105在 外框架103内向下移动，并且铁钻工117移动至其高位。
随着与上管状段251的端部相对应的工具接头253进入自动化起下钻装置101，当工具接头253如前所述与铁钻工117对齐时，内框架105以与升降机45相同的速率向上移动。如图11A所示，起下钻滑动件111与管柱250相接合，并且钻杆柱250的重量的一部分由自动化起下钻装置101承担。
在包括上泥斗密封件127和下泥斗密封件129的实施方式中，上泥斗密封件127和下泥斗密封件129在如图11B所示的点处接合。
然后，铁钻工117可分开工具接头253。固定卡爪119和组装/分开卡爪121接合工具接头253，并施加高转矩以使工具接头253初始地脱离连接。然后，如图11C所示，在一些实施方式中，钻杆旋扣器123迅速完成断开工具接头253。在其他实施方式中，顶部驱动件40可旋转上管状段251。随着工具接头253被脱开，上管状段251中含有的所有钻泥都被释放，并且可由泥斗125捕获。然后，钻泥可流过排泄管道(未示出)，从而例如被回收至钻泥供应处。
如图12、图12A所示，一旦工具接头253被分开，升降机45就会提高速度，并将上管状段251提升至自动化钻杆操作装置101之上。自动化起下钻装置101继续从钻井孔15提升管柱250。然后，在一些实施方式中，自动化钻杆处理装置50接纳上管状段251，并将其递送至指板55。如上所述，随着内框架105继续提升管柱250，铁钻工117移动至其低位。
然后，可对每个管状部分重复上述过程，直至从钻井孔15中完全移除管柱250。此时，可进行需要起出步骤的任何步骤，包括但不限于更换钻头、维修BHA、测试井、穿孔等。在一些情况下，可在诸如运行套管、运行封隔器或其他工具、或用更换的钻头返回下入钻柱中的步骤中使用自动化起下钻装置101。在其他情况下，自动化起下钻装置101可在钻井孔15正上方从钻台移除。
由于升降机45和起下钻滑动件111都能够竖直移动，所以下入钻井孔15或从钻井孔15起出的管柱可以在整个起下钻过程中以恒定速度保持连续运动。由于管柱连续运动，所以管柱可能能够在与传统的 不连续的起下钻过程相同的时间内下入，同时，管柱保持比不连续的起下钻操作中管柱会达到的速度更低的速度。在一些情况下，钻井孔压力可通过井下工具的快速运动而升高或降低。这些压力波动在下入时通常被成为“喘振(surging)”或在起出时通常被成为“抽汲”，可能导致例如储层流体流入钻井孔中或导致围绕钻井孔的构造中的不稳定。例如，通过允许管柱在相同的时间但以较低的速度下入相同距离，可降低钻井孔受到抽汲的损坏的可能性。另外，连续运动可有助于防止例如由管柱在钻井孔中的快速的启动和停止引起的液压冲击。
在一些实施方式中，起下钻的速度可由操作者预先确定，其中，起下钻的速度被限定为管柱在连续起下钻操作期间在钻井孔内的速度。在其他实施方式中，起下钻速度可由闭环反馈机构来控制。例如，在一些实施方式中，闭环控制器可考虑由位于工具柱的底部处的压力传感器测量的压力。通过测量压力并且例如通过监测绝对压力的变化、压力的变化率以及压力变化的加速度，控制器可提高或降低起下钻速度，从而例如防止钻井孔中的喘振或抽汲。在其他实施方式中，钻井孔中的压力可通过测量由顶部驱动件40或提升机构使用的驱动电流来推断。
另外，如上所述，在一些实施方式中，自动化起下钻装置101的控制系统可控制绞车30、顶部驱动器40、升降机45以及钻杆操作装置50中的一个或多个。由此，控制系统可附加地监测这些系统中的每个的状态，并且可能响应于例如境因素、系统功能、管参数等修改起下钻速度。控制系统还可以测量其他因素并在确定起下钻速度时考虑这些因素，诸如在起下钻操作过程中钻机1处的温度、钻井孔内的温度以及来自钻井孔的返回钻探流体的温度。控制系统可附加测量管状填充装置上的背压。
以上概述了几个实施方式的特征，使得本领域的普通技术人员能够更好地理解本公开的各个方面。这些特征可由许多等效的替代物中的任意一个来代替，本文中仅公开了其中的一些。本领域的普通技术人员应理解的是，他们可以容易地将本公开用作基础来设计或修改用于实现相同的目的和/或实现与本文中所介绍的实施方式相同的优点。 本领域的普通技术人员还应当认识到，这种等效构造并未脱离本公开的精神和范围，并且这种等效构造可以在不脱离本公开的精神和范围的情况下进行各种改变、替换和更改。