钻机钻杆处理设备技术领域
本发明涉及将钻杆进给到通过钻机创建的钻柱和从通过钻机创建
的钻柱取出钻杆的钻杆处理设备。
背景技术
勘探钻井通常涉及钻取几千米的地下深度。相应地，当钻杆进入
到钻井中时，必须连接和安装连续段的钻管或钻杆。
钻杆(取决于它们的具体构造)每个的重量可以在10千克到20
千克之间，并且其长度从大概两米到三米。按照惯例，钻杆通过设置
在各个钻杆端部的阳型和阴型螺纹连接而相互连接。另外，在钻进期
间，通常不可避免地需要每隔一定时间更换在钻柱最下端的钻头或者
其它工具。这种更换过程涉及从钻井里收回整个钻柱，更换最下部，
然后重新安装整个钻柱，此后，钻井可以继续。实际上，并且取决于
岩石条件，通常每一次钻孔都经历10到20次回收操作。因此，需要
处理较多数量钻杆，且特别地将它们从运输或者搬运小车送到钻机，
它们在钻机处准备好轴向对齐以及联接到钻柱。当然，在钻柱收回期
间也需要相反的操作。示例的钻杆处理系统在US3,043,619、
GB2334270、WO00/65193和WO2011/129760中公开。
钻杆处理系统通常可以包括机械臂，其具有专用夹持器，用来夹
起钻杆。在向前钻井操作期间，机械臂被布置用以在运输或者中间小
车处捡起钻杆，并将钻杆放在钻机中，在钻机上，钻杆连接到已经安
装的钻杆，以延长钻柱。在钻柱回收操作期间，机械臂被布置用以从
钻机捡起解除连接的钻杆，并将它们放回运输或者中间小车上。
为了提供完全自动化的系统，其不需要定期的人工干预，可期望
的是，钻杆处理系统能够连接钻杆到已安装的钻杆上或者与其解除连
接。然而，在包括钢丝绳钻进和取芯钻进的很多钻井应用中所使用的
螺纹通常具有非常低的螺纹高度，并且稍微为锥形。如果将这样的螺
纹对随机轴向地放在一起，实验表明螺纹约有60％的机会不会相互接
合，或者错误地相互接合。在任一情况下，螺纹可能被损坏，导致额
外的成本和工作。
WO02/079603A公开了一种系统，用于自动将钻杆连接到钻柱并
形成钻柱。在这个系统中，绕着钻杆的周界设置标记，使得可以确定
它们的旋转位置，因此允许钻杆可旋转地对齐，用以最优化螺纹进入。
然而，这种类型的现有系统不能保证对齐，并且仍存在钻杆及其螺纹
因为错误对齐而受损的危险。相应地，需要有解决上述问题的用于相
互连接钻杆的钻杆处理系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钻杆处理设备，并且特别地提供一种
自动化组件，其被构造用以可靠并且快速地将钻杆运输到钻柱，并保
证在将钻杆连接到钻柱的时候正确对齐，避免对钻杆的螺纹连接造成
损害以及钻杆的错误对齐，否则这种错误对齐防止或者延迟了钻井操
作。
这些目的通过提供一种钻杆处理设备而获得，该设备具有对齐工
具，其被具体地构造用来：当一个钻杆被添加到钻机处的钻柱的后端
时，其机械地引导联接操作。有利地是，本发明的对齐工具经由伸长
梁安装在杆夹持器单元处，该伸长梁特别地被构造成经受从钻柱和/
或正被连接的钻杆的纵轴线的相对较小的适度侧向偏转。本发明的对
齐工具因此被构造用来：随着所运输的钻杆与钻柱形成触碰接触，自
行引导，以正确对齐螺纹连接。对齐工具还被设置有具有与钻杆外径
密切对应的内径的联接区域或者套筒，以提供引导通道，以迫使正确
轴向对齐。
经由本领域常规的合适控制装置，本发明的钻杆处理设备提供了
自动化处理系统，以可靠地联接钻柱的钻杆，且需要较少或者不需要
手动干预。
根据本发明的第一方面，提供将钻杆进给到通过钻机创建的钻柱
和从通过钻机创建的钻柱取出钻杆的钻杆处理设备，该设备包括：夹
持器单元，夹持器单元包括：杆衔接器，用于接触和保持待被运输到
钻机的第一杆；运输器，运输器用以将夹持器单元从杆收集位置运输
到位于钻机处的杆联接位置，使得第一杆与处于杆联接位置的钻柱轴
向对齐；其特征在于：对齐工具经由伸长连接器安装在夹持器单元处，
对齐工具具有成对的对齐爪，对齐爪中的至少一个爪可以移动，以允
许爪绕着第一杆打开和闭合；其中，爪的一部分在闭合状态下限定联
接区域以及从联接区域的一部分的一端径向向外突出的引导嘴，以引
导形成钻柱的端部的第二杆与联接区域的轴向对齐，从而提供第一和
第二杆在联接区域内的对齐联接。
说明书内涉及的“伸长连接器”含盖这样的装置：将对齐工具机械
地附接到夹持器单元，使得对齐工具基本上刚性地保持在夹持器单元
处，以便通过夹持器单元支撑，同时能够从钻柱的纵轴线径向向外侧
向偏移。伸长连接器可包括从夹持器单元轴向延伸的梁或者多个连接
元件。
优选地，每一个爪被可枢转地安装在支撑框架上，并能够枢转，
以径向移动到延伸穿过联接区域的纵轴线或者从该纵轴线移动离开。
可选地，联接区域包括套筒，该套筒具有径向向内面向的表面，
该表面大体上具有柱状轮廓。可选地，联接区域可包括多个元件，该
多个元件被布置成绕着所述纵轴线，以便提供容纳联接区，第一和第
二杆的端部在联接期间可以被定位和保持在该容纳联接区中。优选地，
联接区域包括具有稍大于钻杆的外径的宽度或直径的内部空腔区域。
优选地，引导嘴包括径向向内面向的表面，该表面具有基本上锥
形的轮廓。根据另一个方面，引导嘴可以包括从联接区域伸出的任何
突出或者延伸部，所述突出或延伸部从联接区域的内表面径向向外倾
斜或者渐缩，以便提供用于接触钻柱的末端钻杆的倾斜表面。因此，
对齐工具被构造成通过伸长连接器的弯曲或者挠曲而与钻柱的纵轴线
自对齐。因此，可以选择嘴部的轴向长度和向内倾斜表面的定向的角
度，以保证对齐工具会始终“抓住”钻柱的末端钻杆并由其引导，以获得
正确对齐。
优选地，该设备还包括驱动致动器，该驱动致动器被安装在支撑
框架上并且联接到所述爪中的至少一个爪上，以驱动该至少一个爪运
动，以绕着第一杆打开和闭合。
优选地，伸长连接器的第一端安装在夹持器单元上，并且伸长连
接器的第二端安装在对齐工具上，且连接器被构造成在其纵向轴线侧
向(横向或垂直)的平面中弯曲，使得对齐工具能够相对于夹持器单
元侧向朝一旁偏转。
优选地，杆衔接器包括：绕着第一杆可移动地打开和闭合的成对
的杆接合爪；以及接合辊，其安装在爪上，用于接触第一杆并将其保
持处于在夹持器单元处的夹紧位置。
优选地，该设备进一步包括安装在夹持器单元上的至少一个传感
器，用以检测夹持器单元和第一杆之间的轴向移动的变化。可选地，
传感器包括被构造用以监测滑撬相对于框架的轴向位置。可选地，该
传感器安装在夹持器单元的滑撬上或者框架部分上，并被构造用以监
测替代性的框架或者滑撬的某个区域的移动。可选地，传感器可以包
括如下集合中的任意一个或其组合：光学传感器、激光机、照相机、
被构造用以辨识与框架和/或滑撬相关联的液压或者气压装置相关联
的液压或者气压压力的变化的压力传感器、加速计、声音传感器、基
于电子的传感器、基于电的传感器、基于磁的传感器。可选地，传感
器可包括监测与保持或者调整夹持器单元的滑撬或者框架的轴向纵长
方向上的移动相关联的致动器的液压或者气压压力的装置。
优选地，联接区域定位为基本上与杆接合爪同轴，使得第一杆的
第一区域可以被杆接合爪夹持，而第一杆的第二区域被对齐爪围绕。
可选地，引导嘴从联接区域的向内面向表面以范围在5和20°之间的角
度径向向外突出。优选地，引导嘴以5°到15°、6°到14°或者8°到
12°的角度径向突出。
根据本发明的第二方面，提供了一种自动化钻杆处理组件，该自
动化钻杆处理组件包括这里所要求保护的设备，其具有根据自动顺序
控制夹持器单元和对齐工具相对于钻柱的移动的装置。
根据本发明的第三方面，提供一种钻机，该钻机将钻杆进给到钻
柱和从钻柱取出钻杆，该钻机包括：进给框架；旋转单元，旋转单元
安装在进给框架上，以向钻柱提供旋转驱动；杆保持器，杆保持器安
装在进给框架上，以安装钻柱的端部区域，所述旋转单元可轴向滑动
朝向杆保持器和滑动离开杆保持器；以及如本文所要求保护的钻杆处
理设备，该钻杆处理设备被构造用以在杆收集和杆联接位置之间运输
杆，以使第一杆与杆保持器和/或旋转单元所保持的钻柱的末端钻杆
轴向对齐。
根据本发明的第四方面，提供了一种将钻杆进给到通过钻机创建
的钻柱的方法，该方法包括：在杆收集位置，经由定位在夹持器单元
中的杆衔接器接触并保持第一杆的第一区域；从杆收集位置将夹持器
单元移动到杆联接位置，在该联接位置，第一杆基本上与形成钻柱的
末端部分的第二杆轴向对齐；其特征在于：经由对齐工具轴向接合与
第一区域分开的第一杆的第二区域，该对齐工具包括成对的对齐爪，
该成对的对齐爪可以绕着第二区域闭合，并在第一杆的第一区域和杆
衔接器接触的步骤期间，通过爪所限定的联接区域支撑第一杆；使第
一杆朝向第二杆轴向前进；并且经由从联接区域的一部分径向向外展
开的引导嘴引导第二杆在联接区域内接合，以使第一和第二杆至少部
分地在联接区域内定位成轴向对齐，以待联接。
可选地，接触和保持第一杆的第一区域的步骤包括通过绕着第一
杆闭合的成对的接合爪而接合第一区域。
优选地，该方法进一步包括使围绕杆的接合爪的闭合和对齐爪的
闭合同步。
附图说明
现在，仅通过示例方式并参考附图对本发明的具体实施进行说明，
其中：
图1为根据本发明具体实施的钻机、钻杆储存架和定位在钻机和
储存架中间的钻杆处理设备的第一侧透视图；
图2为图1中钻杆处理设备的第二侧透视图；
图3为图2中钻杆处理设备的另一个透视图；
图4为接合待被联接到钻柱的钻杆的图3中钻杆处理设备的侧视
图；
图5为图4中钻杆处理设备的对齐工具形成部分的前视透视图；
图6为图5中对齐工具的后视透视图；
图7为根据本发明具体实施的图6中的对齐工具的一个爪的透视
图；
图8为图6中对齐工具在杆未接合位置的前视图；
图9为图8中对齐工具在杆接合位置的前视图；
图10为在两个钻杆端对端联接的状态下的图9的对齐工具的爪的
一部分的示意性截面视图。
具体实施方式
本发明的设备被特别地构造用以提供将钻杆自动进给到钻机上的
钻柱。本发明的设备旨补偿在将钻杆对齐并增加到钻柱时的相当粗糙
的容差，其中钻杆处理设备的机械臂可以移动，以从存储位置收集钻
杆并将钻杆移动到联接位置。特别地，在钻进的时候，因为钻进期间
的环境条件以及旋转单元的轻微有限夹持精度，钻机上的旋转单元所
夹持的钻杆经受轻微的震荡运动。因此，钻柱的末端钻杆的准确位置
变得与“真实的”轴向中心错误对齐。另外，当从存储点移动钻杆到联接
位置时，也由机械臂和处理系统产生公差。本发明的钻杆处理设备提
供了机械组件，当在给定了机械部件中的公差和钻机的使用环境下联
接钻柱的钻杆的时候，该机械组件大大有利于对齐。
参考图1，钻机101包括进给框架111，进给框架111具有相对于
钻柱的第一向前端和第二向后端。杆保持器108安装在第一端部114，
并被构造用以保持钻柱的末端钻杆100，该钻柱通常在深钻井中向下方
向延伸。旋转单元107安装在框架111上，位于保持器108后面，并包
括被构造用以在钻进过程中旋转钻柱的钻杆100的常规部件。进给框
架111安装在坡道组件105上，该坡道组件105被构造用以调整钻机
101的钻进角度。如所示的，钻柱100在x轴线延伸，在x轴线中，钻
杆钻进过程涉及在方向F上的钻杆100的旋转前进，同时钻杆从井眼
中的收回也沿着在x轴线中的相反的方向R上进行。
待被供应给钻机101的钻杆在杆存储架103上运输并暂时存储，
该架103靠近钻机101定位。总体上通过附图标记102所表示的钻杆
处理设备定位在架103和钻机101中间，并被构造用以在任意钻进和
回缩过程中，在架103和钻机101之间运输杆。参考图1和2，钻杆处
理设备102包括引导框架110，其安装了机械臂109形式的运输单元，
该机械臂可枢转地安装在其两端。夹持器单元106安装在臂109一端，
并被构造用以接合并保持待在架103和钻机101之间运输的钻杆。为
了保证钻杆在联接期间有效地联接并避免错误对齐以及损坏，钻杆处
理设备102进一步包括对齐工具104，齐工具104意在接合钻柱100的
末端钻杆，并使钻柱与从架103上获取的“已运输的”钻杆配对。
参考图2到4，致动臂109安装在第一端203，以经由致动器200
(通常是液压、气压或者电动马达)引导框架110，以提供臂109绕着
枢转轴线213的枢转旋转。夹持器单元106安装在臂109的第二端202。
对应的致动器201安装在端部202，以驱动臂109处的夹持器单元106
的旋转安装，以使臂109可以绕着枢转轴线214旋转。另外，提供驱
动和移动装置(未示出)，使得臂109能够沿着框架110的方向线性平
移，以在运输到钻机101期间、在x轴线方向上联接和脱离联接操作
期间调整钻杆的相对位置。经由框架110处夹持器单元106的枢转安
装(经由臂109)，以及轴向移动装置(未示出)，夹持器单元106被构
造用于在钻杆运输期间沿着x，y和z方向上移动。
夹持器单元106包括：支撑框架205，支撑框架205安装到臂109；
以及滑撬206，在钻杆联接和脱离联接操作期间，滑撬206能够相对于
框架205在F和R方向上来回穿梭移动。特别地，夹持器单元106包
括成对的平行的轴207，轴207在x轴线方向上在框架205的向前和
向后部分之间纵长延伸，框架205的最向前侧最靠近钻柱100(和保持
器108和旋转单元107)定位。滑撬206包括成对的套筒215，套筒215
被构造成相应地在各个轴207上滑动，使得滑撬206被以相对于框架
205“浮动”的关系悬起。第一对向后偏置弹簧209安装在各个轴207的
后端，且对应的成对向前安装偏置弹簧210定位在各个轴207的向前
端处，处在各个套筒215的轴向任意端上。相应地，向前弹簧210为
滑撬206在方向F上的向前运动提供偏置阻力，而向后弹簧209为滑
撬206在相反方向R上的轴向移动提供阻力。
夹持器单元106进一步包括由附图标记208表示的运动追踪传感
器装置，其安装在框架205和滑撬206的区域处。因此，滑撬206相
对于框架205的相对轴向位置(在x轴线方向上)可以通过传感器单
元208来监测。
伸长梁113包括刚性安装在对齐工具104的第一端216和刚性安
装在夹持器框架205的区域的第二端217。梁113包括物理机械构造，
并且特别地，包括外径，该外径被构造成允许对齐工具104在钻杆在
方向F的联接期间在y和z平面中侧向偏转。对齐工具104包括成对
的可移动爪204，其可枢转地安装在支撑框架212处，框架212的区域
直接与梁端部216联接。
驱动器211(通常是液压、气压或者电动马达)安装在框架212
处，以驱动爪204在y和z平面中的枢转位移。在“闭合”状态下，爪
204限定出内部联接腔303，钻柱的相应的末端钻杆100的端部和待增
加到钻柱的末端的钻杆400被容置在该腔中，并且该腔通过夹持器单
元106携带。
夹持器单元106包括成对的相反的呈夹持器爪301、302形式的杆
衔接器。每一个爪301、302能够在侧向方向上远离轴线x移动，大体
上对应于在垂直y轴线方向上的移动。每一个爪301、302包括成对的
爪接合辊403(上下布置)，爪接合辊403可旋转地安装在对应的轴线
上(未示出)，由此钻杆400被单元106经由四个辊403的摩擦接触而
夹持，从而在相反的爪302、302之间夹住钻杆。每一个爪301、302
包括安装在每一个爪301、302的后端的相应的致动器300(液压、气
压或者电动马达)。每一个致动器300能够经由安装在每一致动器300
相应的驱动轴(未示出)上的齿轮404向至少一个辊403提供旋转驱
动，从而向钻杆400施加相对于钻杆100旋转。另外，另一个致动器
(未示出)安装在滑撬206上，并被构造用以驱动相应的爪301、302
绕着钻杆115的打开和闭合。
运动传感器208适于监测滑撬206相对于框架205的相对轴向位
置(沿着x轴线方向)。这经由安装在滑撬206的区域上的第一传感器
部件401，以及安装在框架205上的第二传感器部件402实现。因为钻
杆400基本上被滑撬206刚性夹持，所以钻杆400相对于框架205的
任何轴向移动通过长度位移传感单元401、402而确定。这种传感器装
置及其相对安装位置是有用的：在联接和脱离联接操作中，将反馈信
号提供给自动控制单元(未示出)，并辨识钻杆100、400的正确联接
和脱离联接。
对齐工具104的功能是双重的。首先，主要功能是在钻杆100和
400之间提供引导联接，而第二个功能是在架103和钻机101之间运输
期间为钻杆400提供额外的支撑。因为从架103收集钻杆400通常涉
及夹持器单元106在z轴线方向上从上方接近钻杆400，所以对齐工具
104必须同样包括爪装置(对应于夹持器爪301、302)，以允许钻杆400
同时被单元104、106接合。相应地，对齐工具的爪致动器211与夹持
器的爪致动器(未示出)同步，使得对齐爪204的打开和闭合随着夹
持器爪301、302的对应打开和闭合同时发生。
对齐工具的致动器211经由安装在框架212上的一系列齿轮502
向枢转爪204提供在y和z平面中的驱动。每一个爪204包括大体上
柱形本体700的一半，所述大体上柱形本体700具有基本上与x轴线
对齐的轴线。安装凸缘701从柱形本体700垂直向上延伸(在z轴线
方向上)。孔702在x轴线方向上延伸贯穿凸缘701，以容置安装销503，
安装销503则安装框架212处。因此，每一个爪204能够绕着销503
枢转移动，从而绕着对应于钻杆400纵轴线的轴线x打开和闭合。
如图7和10所示那样，每一本体部件700的内部轮廓特别地被构
造用以保证钻杆100和400的联接端之间的所需配合。特别地，每一
钻杆100、400包括设置在第一端的第一相应阳型螺纹连接和设置在相
反第二端的对应阴型螺纹连接。通过闭合的爪204限定的内部腔303
因此包括了套筒部706，其具有柱形构造501的内表面。
套筒706包括相对于钻柱100的位置来说的第一最前端703和第
二最后端704。当钻杆处理设备102定位在钻机101上以在钻杆100、
400之间提供联接时，套筒706的纵轴线被定为成与钻柱100的纵轴线
同轴。爪本体700还包括从套筒706的第一端703延伸的嘴部707。嘴
部707的向内面向表面500从套筒706和柱状表面501的纵轴线径向
向外展开。根据具体的实施，表面500以范围在8°到15°之间的角度
从表面501径向向外延伸。嘴部707的轴向长度基本上等于套筒706
轴向长度的三分之一。相应地，进入内部腔303(如通过“闭合”爪204
限定)的开口的直径或者宽度相对于本体700的第二向后面向端709
来说在第一向前面向端708处较大。
相应地，嘴部707的向内面向表面500包括大体上截头锥型的构
造，在该构造中，锥体的较小直径端定位在柱形端703处，而锥体的
最大直径端对应于柱形本体700的第一端708。
图8示出爪204的相对定位，该爪包围待被从架103运输到钻机
101的钻杆400，而图9示出绕着钻杆400“闭合”的爪204的对应位置。
柱形表面501的直径被构造成比钻杆400的外径稍大，使得爪204不
夹持钻杆400，而是保持钻杆400，以使能够发生较小程度的侧向移动
(在y和z平面中)，并允许钻杆400相对于爪204旋转及轴向滑动。
图10示出钻杆100，400沿着方向F的联接过程。如所示的那样，
每一钻杆包括设置在第一端的阳型螺纹连接802和设置在可选的第二
端的阴型螺纹连接803。螺纹800在钻杆100的内表面804上的区域
803中延伸，并且对应的螺纹801设置在钻杆400的向外表面805上的
区域802中。每一联接区域802、803包括轴向的短的柱状引导表面806，
引导表面806具有轴向长度E。使得螺纹800、801的轴向长度包括长
度D。
钻杆处理单元102被构造用以从架103收集钻杆400，使得钻杆
400的第一阳型端区域容纳在内部腔303中。特别地，钻杆400的端部
在柱状套筒501中轴向延伸距离C，以被轴向定位在端部703和嘴部
707的后方。因此，柱形部501的轴向长度A大于长度C，使得长度A
的接近70％至90％被钻杆400的端部(长度C)占据。当钻杆处理单
元102被定位在钻机101上(使得钻杆100、400轴向对齐)时，夹持
器单元106和对齐工具104在方向F上沿着x轴线轴向前进。嘴部707
在钻杆100的阴型端轴向移动，而钻杆100的阴型端则容置在本体700
的内部腔303之中。任何侧向的错误对齐(在y-z平面中)被锥形的
内表面500容纳，该表面用作引导漏斗，以稍稍调整钻杆400的阳型
端的侧向位置。特别地，当钻杆100紧固地被单元108和107保持时，
对齐工具104侧向偏转并与钻杆100接合，并且在较大程度上，对齐
工具104不能够在y-z平面中发生任何侧向移动。因此，本体700通
过钻杆100重新定中心，以允许钻杆100的端部808进入柱形部分501，
并且在柱形部分501之内与钻杆400的端部807轴向重叠。对齐工具
104的这种侧向偏转通过梁113的侧向弯曲提供。
根据另一具体实施，锥形部707的轴向长度B可以比图10中所示
的相对于部分501的轴向长度A来说的相对长度更大或者更小。此外，
向内面向表面500从表面501径向向外延伸的角度可以大于或者小于
图10所示的角度。因此，对齐工具104可被构造用以补偿钻杆100、
400之间的较大轴向错误对齐。其中，致动器211包括液压单元，通过
在单元211上施加液压加压压力，爪204绕着钻杆400保持闭合，如
图9所示。
根据进一步的具体实施，联接套筒部706可包括绕着每一钻杆
100、400的端部区域的任何引导装置，这些装置与每一钻杆的纵轴线
基本上轴向对齐。例如，套筒部706可包括多个平行的条带、杆或者
凸缘。此外，嘴部707可相同地包括多个分开的元件，它们用来引导
联接部706的侧向移动，以与钻杆100轴向对齐。因此，嘴部707可
包括从联接部501的端部703径向向外突出的多个凸缘。