连续运动起下钻石油钻机及连续运动起下钻方法技术领域
本发明属于石油机械技术领域，适用于陆上及海洋钻机和修井机，涉及一种连续
运动起下钻石油钻机，本发明还涉及一种连续运动起下钻方法。
背景技术
常规的石油钻机在起钻过程中，当完成一根立柱起升后，钻柱利用吊卡或卡瓦支
撑后停靠在转盘上，卸开立柱与钻柱相连的钻杆接头，将立柱排放到二层台，下放顶驱(或
大钩)，待顶驱(或大钩)下放到设定高度后，顶驱(或大钩)提起钻柱，将吊卡从转盘井口中
心移开(或卡瓦打开)，才可以继续起升钻柱，待立柱下端母接头距离转盘顶面到达设定距
离后，将吊卡安放到转盘井口中心(或卡瓦扣紧)，顶驱(或大钩)将钻柱放置到支撑在转盘
顶面的吊卡(或卡瓦)上，卸开立柱与钻柱相连的钻杆接头，将立柱排放到二层台，如此循环
操作，完成钻柱的间断起升。
常规的石油钻机在下钻过程中，当完成一根立柱下放后，钻柱利用吊卡(或卡瓦)
支撑后停靠在转盘上，旋紧立柱与钻柱相连的钻杆接头，上提顶驱(或大钩)，将吊卡从转盘
井口中心移开(或卡瓦打开)，才可以继续下放钻柱，待立柱上端母接头距离转盘顶面到达
设定距离后，将吊卡安放到转盘井口中心(或卡瓦扣紧)，顶驱(或大钩)将钻柱放置到吊卡
(或卡瓦)上，然后顶驱上升到二层台，提起下一根立柱与钻柱相连，如此循环操作，完成钻
柱的间断下放。在上述常规石油钻机起下钻过程中，每一根立柱钻杆接头的连接或卸开都
是在钻柱停靠在转盘上后，在钻柱处于静止状态下进行的，
上述的这种起下钻操作方式由于每进行一根立柱的起升或下放，钻柱的运动都会
经历从静止、加速、恒速、减速到静止的运动状态变化，其缺点如下：一是钻机提升机构需频
繁将钻柱从零速加速到最大速度，又从最大速度减速为零，这种频繁加减速不仅影响钻机
工作效率，还造成钻机能耗较大；二是在起钻过程中，钻柱对钻井液的激动与抽汲导致井筒
压力波动，进而影响井筒筒壁的稳定性；三是在下钻过程中，由于下钻最大速度过快，井底
压力波动大，容易导致裂缝性地层井底裸眼井段发生井漏、井塌事故。
发明内容
本发明的目的是提供一种连续运动起下钻石油钻机，解决了现有技术中存在频繁
加减速不仅影响钻机工作效率，还造成钻机能耗较大；影响井筒筒壁的稳定性，井底压力波
动大的问题。
本发明的另一目的是提供一种连续运动起下钻方法，提高了起下钻效率。
本发明所采用的技术方案是，一种连续运动起下钻石油钻机，包括两套提升机构，
一套是顶驱提升机构，另一套是转盘提升机构；
所述的转盘提升机构的结构是，在井架左右内侧分别设置有一个转盘导轨，每个
转盘导轨中分别设置有一个滑车和一组转盘梁导向机构，滑车位置在上、转盘梁导向机构
位置在下，每个滑车向下与油缸活塞杆端头铰接，油缸的缸体固定在井架上；滑车上的定滑
轮绕有转盘提升绳，转盘提升绳的一端向下固定在钻机底座上，转盘提升绳的另一端固定
在转盘梁上；上述的两组转盘梁导向机构分别与转盘梁两侧固定连接。
本发明所采用的另一技术方案是，一种连续运动起下钻方法，依赖于上述的连续
运动起下钻石油钻机，按照以下步骤实施：
一、起钻过程：
步骤1，起钻初始位置，转盘顶面与钻台面平齐，转盘处于静止状态，顶驱通过吊卡
提升钻柱以恒速上升，顶驱将1根立柱从井眼中提出后，立柱下的钻杆接头顶面距转盘顶面
为预设值L时，转盘以恒速向上运动；
步骤2，在转盘与顶驱速度相同时，转盘中的卡瓦卡持钻柱；然后顶驱减速上升，使
钻柱重量全部又施加到转盘上，转盘提升钻柱以恒速向上运动；
步骤3，转盘旁边的钻杆接头上卸扣工具卸开立柱与钻柱之间的钻杆接头，转盘旁
边的机械手将立柱推向立根盒方向；
步骤4，顶驱提升立柱减速为零并将立柱下放到钻台面，然后利用井架工将立柱排
放到二层台；
步骤5，此后顶驱下降到预定高度，待转盘提升的钻柱顶端钻杆接头已在顶驱吊卡
顶面之上时，顶驱开始以与转盘相同速度向上运动；
步骤6，在顶驱与转盘以恒速向上运动过程中，顶驱吊卡打开并卡持住钻柱顶端钻
杆接头，然后，转盘提升机构减速，使钻柱重量全部施加到顶驱吊卡上，顶驱提升钻柱以恒
速向上运动；
步骤7，交接后，转盘的卡瓦打开，转盘减速为零，顶驱提升钻柱上升；
步骤8，转盘逐渐下降到钻台面，转盘顶面与钻台面平齐，顶驱通过吊卡提升钻柱
以恒速上升；
待顶驱将下一根立柱从井眼中提出后，立柱下的钻杆接头顶面距转盘面为预设值
L时，重复步骤1～步骤8，实现连续运动起钻；
二、下钻过程：
步骤1，下钻初始位置，转盘顶面与钻台面平齐，转盘处于静止状态，顶驱通过吊卡
提升钻柱以恒速下降，待顶驱带动钻柱运动到接近1根立柱的一半长度的行程时，转盘已从
钻台面上升到转盘顶面距离顶驱所提升钻柱顶端钻杆接头顶面之下的预设值L；
步骤2，此时转盘开始以与顶驱相同速度向下运动，在运动过程中，转盘的卡瓦卡
持钻柱，此时顶驱加速，使钻柱重量全部施加到转盘上，转盘提升钻柱以恒速向下运动，实
现钻柱由顶驱提升下放到转盘提升下放的交接；
步骤3，交接后，顶驱吊卡打开并脱离钻柱顶端钻杆接头；
步骤4，顶驱减速为零；
步骤5，在转盘提升钻柱以恒速向下运动过程中，顶驱上升到二层台，顶驱接住井
架工递送的下一根立柱；
步骤6，顶驱上提立柱到预定高度；
步骤7，待顶驱悬提立柱下端钻杆接头高过转盘支撑的钻柱钻杆接头顶面时，顶驱
以恒速向下运动，立柱与钻柱对正；
步骤8，转盘旁边的钻杆接头上卸扣工具上紧立柱与钻柱之间的钻杆接头，转盘加
速下降，使钻柱重量全部施加到顶驱的吊卡上，顶驱提升钻柱以恒速向下运动，实现钻柱由
转盘提升下放到顶驱提升下放的交接；
步骤9，交接后，转盘减速为零并下降到钻台面；
重复步骤1～步骤9，实现连续运动下钻。
本发明的有益效果是，在钻柱处于恒速(或接近恒速)运动状态下将立柱与钻柱之
间的钻杆接头卸开或连接，实现连续运动起下钻。其优点包括：1)钻机提升机构不需频繁加
减速，采用连续运动方式对钻柱而言仅需1次加减速，实现连续起下钻，减少上卸扣停顿时
间，据统计，在新疆塔里木山前地区进行深井、超深井钻井时，起下钻速度平均为450m/h；采
用连续运动起下钻，起下钻速度约为0.25m/s，起下钻速度为900m/h。起下钻速度提高了1
倍。后续技术进步后，还可以在此基础上进一步提高起下钻速度，大幅提高钻机工作效率；
2)施工时由于不需反复加减速，提升工具、设备所需要的最大载荷、系统动力消耗、设备磨
损均得以降低，动力消耗减少；常规方式完成7000m钻柱起钻作业需要反复对钻柱加减速
250次(3单根立柱)，采用连续运动起下钻方式仅需对钻柱加减速1次。3)提高钻井过程中井
眼稳定性。采用连续运动起下钻，起下钻速度接近恒速，在相同的起下钻效率下，连续运动
起下钻方式最大起下钻速度不到常规钻机最大起下钻速度的五分之一，钻柱速度减小，对
井底压力波动影响小，可有效提高钻井过程中井眼稳定性，防止导致裂缝性地层井底裸眼
井段发生井漏、井塌事故。
附图说明
图1为本发明装置的正面结构示意图；
图2为本发明装置的侧面结构示意图；
图3为本发明装置在起钻状态操作示意图一；
图4为本发明装置在起钻状态操作示意图二；
图5为本发明装置在下钻状态操作示意图一；
图6为本发明装置在下钻状态操作示意图二。
图中，1.钻机底座；2.井架；3.转盘梁；4.转盘；5.卡瓦；6.油缸；7.顶驱；8.转盘提
升绳；9.转盘导轨；10.大钩；11.游车；12.绞车；13.钻柱；14.立柱；15.转盘梁导向机构；16.
滑车；17.井架工；18.二层台；19.天车；20.吊卡。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明连续运动起下钻石油钻机(执行机构)，包括两套提升机构，一套是利用现
有顶驱7的顶驱提升机构，另一套是驱动转盘4的转盘提升机构；
参照图1，本发明的顶驱提升机构直接采用现有常规石油钻机的顶驱提升机构，包
括井架2顶部的天车19、井架2中部的游车11和大钩10及顶驱7、二层台18上的井架工17、绞
车12及其绞索；
由于常规石油钻机的转盘4及转盘梁3安装在钻机底座1上，不能沿竖直井口中心
线上下移动；本发明的创新点就是在常规石油钻机基础上增加了一套对应转盘4的转盘提
升机构。该转盘提升机构包括对称设置的转盘梁导向机构15、转盘导轨9、油缸6、滑车16和
转盘提升绳8，安装在井架2、转盘梁3、转盘4及卡瓦5上。
参照图2，转盘提升机构的结构是，在钻机底座1上固定安装有井架2，在井架2左右
内侧(从井架2正面看)分别设置有一个转盘导轨9，每个转盘导轨9中分别设置有一个滑车
16和一组转盘梁导向机构15，滑车16位置在上、转盘梁导向机构15位置在下，每个滑车16向
下与油缸6活塞杆端头铰接，油缸6的缸体固定在井架2上，油缸6活塞杆的伸缩推动滑车16
沿转盘导轨9上下移动；滑车16上的定滑轮绕有转盘提升绳8，转盘提升绳8的一端向下固定
在钻机底座1上，转盘提升绳8的另一端固定在转盘梁3上(或引入转盘梁3上的滑轮组中)；
上述的两组转盘梁导向机构15分别与转盘梁3两侧固定连接，转盘梁3通过两组转盘梁导向
机构15带动转盘4及卡瓦5沿转盘导轨9上下移动。
转盘提升机构的提升原理是，油缸6活塞杆伸出推动滑车16向上移动，滑车16推动
转盘提升绳8向上抬升，由于转盘提升绳8一端固定在钻机底座1上，因此转盘提升绳8另一
端会提升转盘梁3向上运动，从而带动转盘4及卡瓦5上升；转盘4及卡瓦5需要下降时，油缸6
活塞杆缩回，转盘梁3在自重作用下下降。
本发明的连续运动起下钻方法，依赖于上述的两套提升机构，按照以下步骤实施：
1)起钻过程，参照图3、图4进行说明：
步骤1，起钻初始位置，转盘4顶面与钻台面平齐，转盘4处于静止状态，顶驱7通过
吊卡20提升钻柱13以恒速上升，顶驱7将1根立柱14从井眼中提出后，立柱14下的钻杆接头
顶面距转盘4顶面约为预设值L时，转盘4以恒速向上运动；
步骤2，在转盘4与顶驱7速度相同时，转盘4中的卡瓦5卡持钻柱13，此时顶驱7减速
上升，使钻柱13重量全部又施加到转盘4上，转盘4提升钻柱13以恒速向上运动，实现钻柱13
由顶驱7提升到转盘4提升的交接；
步骤3，转盘4旁边的钻杆接头上卸扣工具卸开立柱14与钻柱13之间的钻杆接头，
转盘4旁边的机械手将立柱14推向立根盒方向；
步骤4，顶驱7提升立柱14减速为零并将立柱14下放到钻台面，然后利用井架工17
或人工将立柱14排放到二层台18。
步骤5，此后顶驱7下降到预定高度，待转盘4提升的钻柱13顶端钻杆接头已在顶驱
7吊卡20顶面之上时，顶驱7开始以与转盘4相同速度向上运动；
步骤6，在顶驱7与转盘4以恒速向上运动过程中，顶驱7吊卡20打开并卡持住钻柱
13顶端钻杆接头，然后，转盘提升机构减速，使钻柱13重量全部施加到顶驱7吊卡20上，顶驱
7提升钻柱13以恒速向上运动，实现钻柱13由转盘4提升到顶驱7提升的交接。
步骤7，交接后，转盘4的卡瓦5打开，转盘4减速为零，顶驱7提升钻柱13上升；
步骤8，转盘4逐渐下降到钻台面，转盘4顶面与钻台面平齐，顶驱7通过吊卡20提升
钻柱13以恒速上升；
待顶驱7将下一根立柱14从井眼中提出后，立柱14下的钻杆接头顶面距转盘4面约
为预设值L时，开始重复步骤1～步骤8，循环运行，实现连续运动起钻；
2)下钻过程，参照图5、图6进行说明：
步骤1，下钻初始位置，转盘4顶面与钻台面平齐，转盘4处于静止状态，顶驱7通过
吊卡20提升钻柱13以恒速下降，待顶驱7带动钻柱13运动到接近1根立柱14的一半长度的行
程时，转盘4已从钻台面上升到转盘4顶面距离顶驱7所提升钻柱13顶端钻杆接头顶面之下
约为预设值L；
步骤2，此时转盘4开始以与顶驱7相同速度向下运动，在运动过程中，转盘4的卡瓦
5卡持钻柱13，此时顶驱7加速，使钻柱13重量全部施加到转盘4上，转盘4提升钻柱13以恒速
向下运动，实现钻柱13由顶驱7提升下放到转盘4提升下放的交接。
步骤3，交接后，顶驱7吊卡20打开并脱离钻柱13顶端钻杆接头；
步骤4，顶驱7减速为零；
步骤5，在转盘4提升钻柱13以恒速向下运动过程中，顶驱7上升到二层台18，顶驱7
接住井架工17或人工递送的下一根立柱14；
步骤6，顶驱7上提立柱14到预定高度；
步骤7，待顶驱7悬提立柱14下端钻杆接头高过转盘4支撑的钻柱13钻杆接头顶面
时，顶驱7以恒速向下运动，立柱14与钻柱13对正；
步骤8，转盘4旁边的钻杆接头上卸扣工具上紧立柱14与钻柱13之间的钻杆接头，
转盘4加速下降，使钻柱13重量全部施加到顶驱7的吊卡20上，顶驱7提升钻柱13以恒速向下
运动，实现钻柱13由转盘4提升下放到顶驱7提升下放的交接；
步骤9，交接后，转盘4减速为零并下降到钻台面；
重复步骤1～步骤9，如此循环运行，实现连续运动下钻。
本发明的方法，在常规石油钻机一套顶驱提升机构的基础上，增加一套转盘提升
机构，通过两套提升机构的交替提升或下放钻柱，实现钻柱恒速(或接近恒速)起升或下放，
具体工作原理是：
1)起钻过程，起钻前，井眼中的钻柱通过卡瓦的卡持支撑在转盘上，钻柱顶端钻杆
接头顶面距转盘顶面距离预设为L(此距离保证顶驱吊卡能够卡持在钻柱顶端钻杆接头
下)，启动起钻后，转盘提升机构提升转盘以恒速向上运动，转盘的向上运动带动支撑在转
盘上的钻柱以相同速度向上运动，待转盘带动钻柱运动到接近1根立柱长度一半行程时，钻
柱顶端钻杆接头已运动到顶驱吊卡顶面之上，此时顶驱开始以与转盘相同速度向上运动，
在运动过程中，顶驱吊卡打开并卡持住钻柱顶端钻杆接头，然后，转盘提升机构减速，使钻
柱重量全部施加到顶驱吊卡上，顶驱提升钻柱以恒速向上运动，实现钻柱由转盘提升到顶
驱提升的交接。交接后，卡瓦打开，转盘减速为零，然后转盘下降到钻台面，待顶驱将1根立
柱从井眼中提出后，立柱下的钻杆接头顶面距转盘面距离达到预设值L时，转盘以恒速向上
运动，卡瓦卡持钻柱，此时顶驱减速上升，使钻柱重量全部又施加到转盘上，转盘提升钻柱
以恒速向上运动，实现钻柱由顶驱提升到转盘提升的交接。交接后，转盘旁边的钻杆接头上
卸扣工具卸开立柱与钻柱之间的钻杆接头，转盘旁边的机械手将钻杆推向立根盒方向，顶
驱提升立柱减速为零并将立柱下放到钻台面，然后利用井架工或人工将立柱排放到二层
台。此后顶驱下降到预定高度，准备提升下一根立柱，如此循环，完成连续运动起钻。
2)下钻过程，下钻前，顶驱提起一根立柱与井眼中钻柱之间的钻杆接头已连接，井
眼中的钻柱悬挂在顶驱吊卡上，钻柱顶端钻杆接头顶面距钻台面距离约为预设值L加1根立
柱长度，启动下钻后，顶驱提升钻柱以恒速向下运动，待顶驱带动钻柱运动到接近1根立柱
的长度的一半的行程时，钻柱顶端钻杆接头已在转盘顶面之上约为预设值L时，转盘开始以
与顶驱相同速度向下运动，在运动过程中，卡瓦卡持钻柱，此时顶驱加速，使钻柱重量全部
施加到转盘上，转盘提升钻柱以恒速向下运动，实现钻柱由顶驱提升下放到转盘提升下放
的交接。交接后，顶驱吊卡打开并脱离钻柱顶端钻杆接头，顶驱减速为零，然后顶驱上升到
二层台，接住井架工或人工递送的下一根立柱并上提到预定高度，待顶驱悬提立柱下端钻
杆接头高过转盘支撑的钻柱钻杆接头顶面时，顶驱以恒速向下运动，立柱与钻柱对正，转盘
旁边的钻杆接头上卸扣工具上紧立柱与钻柱之间的钻杆接头，转盘加速下降，使钻柱重量
全部施加到顶驱吊卡上，顶驱提升钻柱以恒速向下运动，实现钻柱由转盘提升下放到顶驱
提升下放的交接。此后，转盘减速为零并上升到预定高度，准备卡持下一根立柱并下放，如
此循环，完成连续运动下钻。
本发明的提升机构可以使用现有所有型式的石油钻机提升机构，如绞车、液压油
缸及齿轮齿条等。钻杆接头上卸扣工具及管柱处理可以使用现有所有型式的石油钻机上卸
扣工具及管柱处理方式及系统；本发明同样可实现套管、油管的连续起升与下放；实现钻机
管柱的自动化起升与下放，另外还可在配套其他相应设备后实现连续循环钻井。