管状立根搭建和排放系统的制作方法

管状立根搭建和排放系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了能够被改装用于现有钻井装置的快速钻机装配和钻机拆卸立根搭建和排放系统。具体地，本发明涉及可安装到钻井装置的水平至竖直管输送机器。水平至竖直机器将管节段输送到一对钻井装置安装的升降机。升降机接收并使管段在竖直方向上平移。动力钳可用于实现多个管段之间的连接以形成立根，且也可以断开立根的连接。钻台安装的管排放系统从升降机接收连接后的钻管。可结合立根搭建系统使用的管排放系统能够进行多个连接的管段的受控的、快速且精确的运动。
【专利说明】管状立根搭建和排放系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在地下勘探中使用的新型设备和方法。本发明提供了能够被改装用于现有钻井装置的快速钻机装配和钻机拆卸立根搭建系统。具体地，本发明涉及能够与竖直管输送机成水平地安装的钻井装置。管输送机器将管输送到一对钻井装置安装的升降机。钻台安装的管排放系统从升降机接收钻管。管排放系统能够进行管的多连接节段的受控的、快速且精确的运动。升降机系统安装在其间，用于将多个单管接头组合成一个立根(pipe stand)。
【背景技术】
[0002]在石油、气体和地热能的勘探中，使用钻井操作来在地下产生钻孔或井。地下钻井必然地涉及管的管状节段的长段的运动。在钻井操作中的各间隔，所有钻管必须被从井眼移除。这在钻头磨损需要在钻柱的端部定位新的钻头时最常发生。可能还必须重新配置底孔组件或替代否则失效的其它井下装备。当必须移除钻管时，其在每两个或每三个连接处断开，取决于井架的高度。在较浅的钻井中使用的较小的钻井装置上，每隔一个连接被断开，且两段钻管(称为“两倍管”)被提升离开钻柱，由井架工在管架的指状物中对准，且然后背离井中心下降到钻台上。在用于较深的钻井的较大钻井装置上，每三个连接被断开且三段钻管(称为“三倍管”)被提升离开钻柱，由井架工在管架的指状物中对准，然后离开井中心下降到钻台上。所述两倍管和三倍管被称为立根。立根被竖直地储存在钻井装置台上，在井架上的管架的指状物之间整齐地对准。
[0003]将所有钻管从井移除并然后将其重新连接以往回运行到井中被称为“将管起下”或“进行起下钻”，因为钻头进行从孔的底部到表面且然后返回到孔的底部的一次起下钻。将钻管起下对于钻井装置来说是非常昂贵的且危险的操作。在钻井装置上发生的大部分伤害涉及将管起下。另外，当管被起下钻时，井眼没有前进，如此其是不期望的停机时间。这是为什么钻头质量对于成功的钻头操作是关键的原因。过早失效的钻头可明显增加钻井操作的成本。因为将管起下是“非钻井时间”，所以希望尽可能快地完成起下钻。期望大部分工作人员尽可能快速地移动管。立根是长的且薄的(约九十英尺长)。
[0004]当立根被断开并移动到管架以设置在钻台上时，以及当立根被拾取以在井眼中心上对准以入扣并连接到井眼中的钻柱时，存在促进立根的无规律的不利运动的多个变量。例如，将钻柱从井眼提升的升降机和起重机连接件的竖直对准和行进是线缆连接的，且能够进行平移到从井眼升高的钻柱的侧向运动。而且，钻柱被从顶部支撑，并且，随着井架工侧向移动钻柱，立根的长段离开井中心的加速侧向运动产生了管自身中的波形运动。由于重型钻架(其重量通常在1，500和2，000磅之间)和钻铤(其重量高达20，000磅)自身的不利运动，需要工作人员通过用身体将管用力移动到位来手动地稳定钻管。这种动作也需要在操作绞车的钻工以及井架工和钻台工之间的有经验的协调运动。不用说，在该过程中许多事情会出错，这是为什么将钻管起下和钻管排放是钻井操作中的主要安全问题的原因。[0005]已经做出许多尝试来使管排放操作的所有或部分操作机械化。在海上平台上，其中资金是正当的且钻台空间是可利用的，已经利用了大的Cartesian排放系统，其中立根在上部位置和下部位置被夹紧以增加稳定性，且在立根的顶部和底部的跟踪模块协调立根从井眼中心到排放位置的运动。该系统是非常大的且非常昂贵的，并且不适合于在传统的基于陆地的钻井装置上使用。
[0006]使常规的基于陆地的钻井装置上的管排放机械化的之前尝试已知为Iron Derrickman*管操纵系统。该设备高高地附接在井架上、管架板处,且依赖于将多节钻管和钻铤从孔中心提升并移动到在排放板中的编程坐标的液压系统。该悬臂式井架安装系统具有较低的竖向负载限制，且因此在操纵较大直径的钻铤和很大重量的钻铤时需要顶部驱动器的辅助。
[0007]管利用该系统的运动有点不可预测，且需要明显的经验来控制。其从管件的重心上方抓紧管并不能充分地控制立根的不利运动以允许在钻井工作人员没有干预的情况下安全操纵立根或及时运动。具体地，该系统不能够精确地对准钻架的下自由端以入扣到井眼中的钻柱内。作为这些和其它缺陷的结果，该系统在钻井工业具有有限的接受度。
[0008]已知的一种替代系统从顶部驱动器和定位在管架附近的仅侧向运动导向系统提供竖直提升能力。该系统仍需要钻台工将管入扣到短柱以及回缩位置。
[0009]在使立根排放机械化中的主要困难是由立根中储存的能量产生的对钻管的不利运动、错误对准的竖直运动以及管的侧向加速和所产生的弯曲和振荡，这些运动组合产生管的不利的且通常不可预测的运动，使得很难定位且入扣极其困难。
[0010]在使立根排放机械化中的冲突的困难是需要足够快速地移动管，使得相比于由有经验的钻井工作人员手动操纵的成本来说获得成本节省。快速运动所需的较大加速度在立根中储存较大量的能量和立根的较大的衰减运动。
[0011]在使立根排放机械化中的另一主要障碍是足以允许将管入扣到钻台上的第一目标位置和在排放板的指状物内的第二目标位置所需要的精确对准的立根运动的预测和受
控管理。
[0012]在使立根排放机械化中的更大的障碍是足以实现使由排放机构保持的管件的工具接头入扣到在井眼和钻台上方延伸的接收管件工具接头连接件内所需要的精确对准的立根运动的预测和受控管理。
[0013]使立根排放进行基于陆地的机械化的另一障碍是缺乏钻台空间来容纳类似于可在大的海上钻井装置上使用的那些系统的轨道系统。
[0014]在使立根排放机械化中的另一障碍是由成千上万现有的常规钻井装置给出的多个结构限制，其中对改装的需要受限于可利用的空间和结构。例如，现有的结构需要钻架在相当大的距离内且沿着窄的运动路径进行正交运动。
[0015]在使立根排放机械化中的另一障碍是需要提供一种也能够负担起对常规钻井装置进行改装的可靠机械化解决方案。在使立根排放机械化中的又一障碍是需要在常规管架中在平行的立根排的窄界限内夹紧和提升立根。
[0016]还希望最小化辅助结构和装备，特别是可干涉运输或干涉人力运动且在钻井操作期间通向钻台的入口的结构和装备。还希望为了成本、安全和方便性而符合人体工学地限制在安装期间与钻井装置部件的人力相互作用。[0017]因此，技术和经济障碍已经阻止了能够实现这些目标的管排放系统的发展。常规的现有技术钻井装置构造保持在起下钻时起下管和排放管的人力和装备密集。替代设计未能满足实现商业应用必要的经济及可靠性要求。特别是，现有技术设计未能控制管的自然衰减且未能以足够的快速性和准确性定位管。
[0018]本发明的目标是实现管在排放位置和井上方位置之间的快速且精确的无人操纵运动。因而，本发明的排管器必须避免能量在定位结构内的储存。精确的垂直度对于限制系统的能量储存是关键的。另外，立根的受控运动和位置保持对于通过向系统增加刚度来允许快速运动是关键的。
[0019]总之，本发明的各种实施方式提供了由一系列重叠设计约束(包括有限的钻台空间)引起的以及从可改装的组件获得足够的刚度以提供钻管的受控且精确的自动运动和排放的问题的独特解决方案。更具体地，本发明的各种实施方式独立于来自顶部驱动器的辅助提供立根侧向运动，且没有延伸和缩回顶部驱动器来将立根操纵到排放系统。这为顶部驱动器提供了在定位管中与排管器系统一起移动而没有来自顶部驱动器的辅助的自由时间。另外，本发明的各种实施方式提供一种能够进行钻架的精确和准确入扣从而导致较快速的起下钻时间的装置。

【发明内容】

[0020]本发明提供了一种新型的且新颖的立根搭建和排放系统及其使用方法。在一个实施方式中，提供了水平至竖直机器。水平至竖直机器可安装到常规的钻井装置。水平至竖直机器具有用于夹紧管件(比如，钻管)外部的夹紧器。水平至竖直机器能够抓紧管件并将管件从在地面附近的水平位置升高到靠近钻台边缘的竖直位置。
[0021]下部升降机安装到钻井装置，用于以竖直定向从水平至竖直机器接收管件。下部升降机可以枢转地连接到钻井装置，使得其可以在升高子结构之前附接在水平位置。下部升降机具有能够沿着下部升降机的长度竖直地平移的至少一个夹紧器。该夹紧器能够夹紧到钻井管件的外部并支撑管件的负载。
[0022]提供了一种自动排管器，其具有可连接到钻井装置的钻台并在与钻井井架的V型门侧偏移的位置处向上延伸的基础框架，钻井井架也连接到钻台。在一个实施方式中，基础框架是C型框架设计。井架撑杆可在背离钻台的位置处连接在基础框架和钻井井架之间，用于稳定基础框架的上端与井架的关系。在一个实施方式中，井架撑杆是可调节的，以使自动排管器朝井架略微倾斜。张紧器可以连接在基础框架和钻台之间，用于稳定基础框架与子组件的关系。
[0023]自动排管器能够使钻管立根在排放位置和井上位置之间移动。
[0024]在一个实施方式中，侧向延伸机构枢转地可连接到基础框架。侧向延伸机构在缩回位置和展开位置之间是可延伸的。旋转机构连接到侧向延伸机构并且在左方向和右方向中的每一个上是可旋转的。指状物延伸机构连接到旋转机构。指状物延伸机构在缩回位置和展开位置之间侧向地可延伸。
[0025]竖直夹紧和入扣机构附接到指状物延伸机构。夹紧机构具有夹紧器以夹持管件或立根，并能够竖直移动管以方便入扣。侧向延伸机构是可展开的以使旋转指状物延伸机构和夹紧机构在位于从井架悬置的排放板下方的位置和大体上在井架下方的位置之间移动。[0026]在另一实施方式中，侧向延伸机构在缩回位置和展开位置之间的移动使旋转机构沿大体线性的路径移动。在更优选的实施方式中，侧向延伸机构在缩回位置和展开位置之间的移动使旋转机构沿大体上水平的路径移动。
[0027]旋转机构在左方向和右方向中的每一个上是可旋转的。在更优选的实施方式中，旋转机构在左方向和右方向中的每一个上可旋转至少九十度。在另一优选实施方式中，立根夹紧机构是可竖直平移的，以竖直地升高和降低立根的负载。
[0028]在另一实施方式中，自动管排放系统是顺序嵌套的。在该实施方式中，指状物延伸机构以及夹紧和入扣机构基本上可缩回到旋转机构内，旋转机构基本上可缩回到侧向延伸机构的枢轴框架内，侧向延伸机构基本上可缩回到基础框架内。
[0029]上部升降机枢转地连接到基础框架，用于以竖向定向从下部升降机接收管件。上部升降机具有上部夹紧器和下部夹紧器。上部夹紧器能够沿着上部升降机的长度竖直平移。上部夹紧器和下部夹紧器两者能够夹紧到钻井管件的外部并支撑管件的负载。
[0030]提供了立根搭建动力钳，用于使管件旋转以连接在上部升降机和下部升降机之间。
[0031]在操作中，水平至竖直机器夹紧第一管件，比如钻管的节段，并将其从在地面附近的水平位置升高到靠近钻台的竖直位置。下部升降机从水平至竖直机器接收第一管件。下部升降机竖直地升高第一管件，其中上部升降机夹紧并竖直地升高第一管件。
[0032]水平至竖直机器夹紧第二管件并将其从地面附近的水平位置升高到靠近钻台的竖直位置。下部升降机从水平至竖直机器接收第二管件。下部升降机竖直地升高第二管件，直到第二管件的阴型连接部接合第一管件的阳型连接部。立根搭建动力钳使管件中的一个相对于管件中的另一个旋转以构成它们之间的螺纹连接。上部升降机随后夹紧并竖直地升高连接的第一管件和第二管件。
[0033]水平至竖直机器随后夹紧第三管件并将其从在地面附近的水平位置升高到靠近钻台的竖直位置。下部升降机从水平至竖直机器接收第三管件。下部升降机竖直地升高第三管件，直到第三管件的阴型连接部接合第二管件的阳型连接部。立根搭建动力钳使管件中的一个相对于管件中的另一个旋转以构成它们之间的螺纹连接。上部升降机随后夹紧连接的第一管件、第二管件和第三管件(称为“立根”)并将连接的第一管件、第二管件和第三管件(称为“立根”)竖直地升高到在排放板下方的位置。
[0034]自动排管器从上部升降机接收连接的立根，其中上部升降机释放连接的立根。在一个实施方式中，上部升降机可随后相对于自动排管器的基础框架旋转，使得上部升降机不再挡道。
[0035]在另一实施方式中，自动排管器随后使连接的立根倾斜到排放板内。自动排管器可通过致动连接到钻井井架的线性地可调节的井架撑杆来倾斜。自动排管器随后用于在排放板中定位立根。且在排放板和井之间移动立根。
[0036]如本领域技术人员将理解的，公开的步骤的顺序可被修改且实现了相同的有利结果。例如，翼片可在将下部井架节段连接到钻台(或钻台框架)之前展开。
【专利附图】

【附图说明】
[0037]本发明的目的和特征从当结合附图阅读时以下详细说明和所附权利要求将变得更容易理解，在附图中类似的数字表示类似元件。
[0038]附图构成本说明书的一部分且包括以各种形式体现的本发明的示例性实施方式。应理解，在某些情形中，本发明的各方面可夸大或放大显示以方便理解本发明。
[0039]图1是装配有具有根据本发明实施方式的特征的自动管排放系统的钻井装置的等距视图。
[0040]图2是排放机构的等距视图，图示了完全缩回到基础框架内的机构。
[0041]图3是排放机构的等距视图，图示了局部地展开的侧向延伸机构。
[0042]图4是排放机构的等距视图，图示了局部展开的侧向延伸机构并进一步图示了旋转90(九十)度的旋转机构以及局部地展开的指状物延伸机构，诸如在排放板中接收或放回钻管立根的位置。
[0043]图5是排放机构的基础框架的等距视图，图示了与排放机构及钻井装置的其余部件分离的基础框架。
[0044]图6是排放机构的侧向延伸机构的等距视图，图示了与排放机构及钻井装置的其余部件分离的侧向延伸机构。
[0045]图7是与排放机构及钻井装置的其余部件分离地图示的枢轴框架的等距视图。
[0046]图8是排放机构的旋转机构、指状物延伸机构、以及竖直夹紧和入扣机构的等距视图。
[0047]图9是旋转机构的俯视图，图示了在非旋转位置的旋转机构，并且指状物延伸，夹紧机构被缩回。
[0048]图10是旋转机构的俯视图，图示了旋转机构旋转90 (九十)度，并且指状物延伸，夹紧机构被缩回。
[0049]图11是排放系统的指状物延伸机构、以及竖直夹紧和入扣机构的等距视图。
[0050]图12-22是图示了自动排管器的操作并图示了自动排管器从用于从管架取回立根(或其它管件)的完全缩回位置移动到延伸位置并且将立根输送成对准以在井眼上竖直入扣到短柱内的俯视图。
[0051]图23是在图13的俯视图中图示的位置中的自动管排放机构的侧视图。
[0052]图24是在图15的俯视图中图示的位置中的自动管排放机构的侧视图。
[0053]图25是在图17的俯视图中图示的位置中的自动管排放机构的侧视图。
[0054]图26是在图22的俯视图中图示的位置中的自动管排放机构的侧视图。
[0055]图27是图示了由管排放机构操纵的管件或管的可能路径的俯视图。
[0056]图28是装配有具有根据本发明的特征的管状立根搭建系统的钻井装置台的等距视图。
[0057]图29是装配有具有根据本发明的特征的管状立根搭建系统的钻井装置台的等距视图，且大体从图28的相对侧图示，且仅图示了管排放机构的基础框架和撑杆。
[0058]图30是本发明的水平至竖直管供给机构的等距分解图，该机构用于将诸如钻管节段的管件从用于输送的钻井装置台下方带到附接在钻井装置台的V型门侧的边缘附近的下部升降机。
[0059]图31是水平至竖直管供给机构的等距视图，图示了该机构在其运动底部处，从地面上的水平管架夹紧管节段。[0060]图32是水平至竖直管供给机构的等距视图，图示了该机构在撑杆油缸延伸时从其底部位置向上移动，且图示了管的向上运动保持在大体水平位置中。
[0061]图33是水平至竖直管供给机构的等距视图，图示了机构的继续向上运动，以及管从水平位置平移到竖直倾斜的位置。
[0062]图34是水平至竖直管供给机构的等距视图，图示了机构在其完全升高位置，且钻
管完全竖直。
[0063]图35是管状立根搭建系统的等距视图，图示了在操作期间系统的共同致动器控制运动。
【具体实施方式】
[0064]下面的说明被给出以使本领域技术人员能够制造和使用本发明，且在特定应用及其要求的背景下提供。所公开的实施方式的各种修改对于本领域技术人员来说容易明白，且在不偏离本发明的精神和范围的情况下本文限定的一般原理可应用于其它实施方式和应用。因此，本发明预期不限于所显示的实施方式，而是被给予与本文公开的原理和特征一致的最宽的范围。
[0065]图1是包括自动立根搭建系统I的特征的排放机构100的等距视图。因为其属于本发明，所以排放机构100是自动立根搭建系统I的一个部件。尽管在下面提供了排放机构100的重要细节，但是将理解的是，许多变化和修改可被本领域技术人员基于评阅一个优选实施方式的以下说明而被认为是值得期望的。
[0066]如图1中看到的，钻井装置10定位在井眼12上方。钻井装置10具有钻台14和在钻台14上方向上延伸并定位在井眼12上方的钻井井架16。钻井井架16具有敞开的V型门侧18。排放板20在V型门侧18上水平地向外延伸。排放板20具有水平地延伸的多个指状物22，当钻管50被从井眼12移除时指状物22支撑钻管50。排放机构100安装到钻台14，在钻井井架16的V型门侧18上。
[0067]图2是根据本发明一个实施方式的排放机构100的等距视图，图示了排放机构100在完全缩回位置。排放机构100包括由台销202连接到钻台14的基础框架200。在一个实施方式中，基础框架200是在与钻井井架16的V型侧面18偏移的位置处从钻台14向上延伸的锥形C型框架。井架撑杆204在离开钻台14的位置处连接在基础框架200和钻井井架16之间以稳定基础框架200的上端与钻井井架16的关系。在一个实施方式中，一对张紧构件206连接在钻台14和基础框架200之间。张紧构件206相对于钻台14对基础框架200提供进一步的支撑和稳定。
[0068]在一个实施方式中，基础框架200包括枢转地附接到基础框架200的一对可展开的翼片208 (未显示)。当翼片208向外展开时，翼片208的展开端通过支柱210 (未显示)连接到基础框架200。在该实施方式中，井架撑杆204连接到翼片208的展开端，增加井架撑杆204之间的间距以方便冲突排放机构100的自由操作。翼片208的缩回提供用于在钻井部位之间输送排放机构100的较窄的输送轮廓。
[0069]如图2中看到的，井眼12具有延伸穿过井眼12的入口并在井眼12的入口上方延伸的竖向井中心线70。井中心线70代表将钻管50入扣的理论目标位置。井架撑杆204稳定基础框架200的上端与钻井井架16的关系。在优选实施方式中，井架撑杆204的长度是可调节的以补偿在随着被操纵的管件的尺寸变化的不同有效负载下排放机构100的偏转。调节性也有利于适应钻井装置10的非垂直度和设定。调节性还对与输送或接收来自排放机构100的管的其它机构的连接性是有用的。
[0070]图3是排放机构100的等距视图，图示了排放机构100局部地展开。在图3和图4中，为清楚起见，钻井装置10的钻井井架16已经移除。
[0071]侧向延伸机构300枢转地连接到基础框架200。侧向延伸机构300在缩回位置(基本上在基础框架200内)和展开位置(在井中心线70的方向上延伸)之间可延伸。在图3中，与图2相比，侧向延伸机构300局部地展开。
[0072]侧向延伸机构300包括枢轴框架400。旋转机构500连接到枢轴框架400。指状物延伸机构700 (不可见)连接到旋转机构500。夹紧和入扣机构800连接到旋转机构500。图3图示了旋转机构500旋转90 (九十)度，且指状物延伸机构700在缩回位置。该位置在用于接收或放回排放板20中的钻管立根的位置中间。
[0073]在优选实施方式中(图1中最佳地看到)，侧向延伸机构300特别地配置成使得在朝井中心线70展开时，旋转机构500、指状物延伸机构700和夹紧和入扣机构800可移动到在排放板20下方的位置，且进一步到基本上在钻井井架16内的位置。还在优选实施方式中，侧向延伸机构300特别配置成是力平衡的，使得在部分延伸时，侧向延伸机构300为了缩回或延伸不倾斜，与平行四边形悬挂装置形成对比。该配置的益处是需要低的推力来将侧向延伸机构300致动成展开或缩回。
[0074]在另一实施方式中，排放机构100被进一步平衡，使得在电源和/或液压压力失效时，侧向延伸机构300将略微更倾斜以便在重力下缩回而不是延伸。
[0075]图4是排放机构100的等距视图，图示了侧向延伸机构300部分地展开，且进一步图示了旋转机构500旋转90 (九十)度且指状物延伸机构700部分地展开。如在图2中最佳地看到的，指状物延伸机构700 (未显示)可缩回到旋转机构500 (未显示)的内部空间内以允许通过在将钻管50起出井眼12时(比如当改变钻台时)堆在钻台14上的钻管立根50之间形成的窄通道。作为对比，图4图示的位置是用于在排放板20中接收或放回钻管立根的位置的示例。
[0076]图5是排放机构100的基础框架200的等距视图，图示了与排放机构100和钻井装置10的其余部件分离的基础框架200。基础框架20通过台销202枢转地连接到钻台14 (未显示)。井架撑杆204将基础框架200的一侧连接到钻井装置10 (未显示)的钻井井架16 (未显不)。井架撑杆204稳定排放机构100的基础框架200。在优选实施方式中，井架撑杆204是可调节的，以补偿钻井井架16的垂直度和当操纵不同尺寸的钻管50时排放机构100的可变偏转。
[0077]在另一优选实施方式中，张紧构件206将基础框架200的一侧连接到钻井装置10 (未显示)的钻台14 (未显示)。张紧构件206稳定排放机构100的基础框架200。在优选实施方式中，张紧构件206是可调节的，以补偿排放机构100的垂直度和当操纵不同尺寸的钻管50时排放机构100的可变偏转。
[0078]图6是图1的侧向延伸机构300的等距视图，图示了与排放机构100和钻井装置10的其余部件分离的侧向延伸机构300。如图6所示，侧向延伸机构300具有井架侧302和基础连接侧304。侧向延伸机构300的基础连接侧304枢转地连接到基础框架200 (未显示)。侧向延伸机构300的井架侧302在连接部420和450处枢转地连接到枢轴框架400。
[0079]在图示的优选实施方式中，侧向延伸机构300包括延伸连杆机构320和水平连杆机构350。在更优选的配置中，侧向延伸机构300包括图示的八杆连杆机构。
[0080]在图示的优选实施方式中，延伸连杆机构320包括上连接杆322、下连接杆324和长连接杆326。还在该实施方式中，水平连杆机构350包括内侧连接杆352、外侧连接杆354和联接器连接杆356。
[0081 ] 延伸连杆机构320和水平连杆机构350在基础连接侧304上枢转地连接到基础框架200 (未显示)。延伸连杆机构320和水平连杆机构350在井架侧302上枢转地连接到枢轴框架400。延伸连杆机构320在连接部420处枢转地连接到枢轴框架400。水平连杆机构350在连接部450处枢转地连接到枢轴框架400。延伸连杆机构320和水平连杆机构350还通过联接器连接杆356枢转地连接到彼此。
[0082]侧向延伸缸390枢转地连接在基础框架200 (未显示)和延伸连杆机构320之间。侧向延伸缸390的可控扩展使侧向延伸机构300且因此枢轴框架400在基本上在基础框架200(未显示)内的缩回位置和在基础框架200外的延伸位置之间移动。在优选实施方式中，内侧连接杆352和上部连接杆322基本上是相同的长度。延伸连杆机构320和水平连杆机构350的新颖运动学配置在侧向延伸机构300展开时产生了枢轴框架400沿着钻台14(未显示)上方的稳定且基本水平的路径的延伸。
[0083]侧向延伸机构300对于其中期望以自平衡方式水平平移另一设备的其它钻井装置应用中是有用的，其中希望维持设备的竖直对准。这样的应用包括定位夹紧或转矩装置。
[0084]如在图6中看到的，枢轴框架400为C型框架的形式，在井架侧302的方向上具有开口，用于接收旋转框架600 (未显示)及其连接的内容物。
[0085]图7是图6的侧向延伸机构300的等距视图，从相对侧显示，其中枢轴框架400在前部，且从下侧显示。枢轴框架400具有用于与旋转机构500的连杆结构枢转地相连的多个承窝。
[0086]在所示的实施方式中，在枢轴框架400的顶部处是定位在枢轴框架400的顶部处的右锁定承窝412、右驱动连接杆承窝414和右缸承窝416。在枢轴框架400的顶部附近还定位了左锁定承窝422、左驱动连接杆承窝424和左缸承窝426。
[0087]右锁定承窝452、右驱动连接杆承窝454和右缸承窝456定位在枢轴框架400的底部附近，且与在枢轴框架400的顶部附近的右锁定承窝412、右驱动连接杆承窝414和右缸承窝416各自轴向对准。
[0088]左锁定承窝462、左驱动连接杆承窝464和左缸承窝466定位在枢轴框架400的底部附近，且与在枢轴框架400的顶部处的左锁定承窝422、左驱动连接杆承窝424和左缸承窝426各自轴向对准。
[0089]在图7中显示的一个实施方式中，枢轴框架400上的凹口 490可接收侧向延伸机构300的水平连杆机构350。在枢轴框架400的相应侧上定位了类似尺寸的凹口 410 (未显示)。当侧向延伸机构300完全缩回时，凹口 490与水平连杆机构350的接合稳定了枢轴框架400和排放机构100的其它部件。
[0090]图8是排放机构100的部件的等距视图，在没有侧向延伸机构300和枢轴框架400的情况下显示。如图9所示，旋转机构500显示为连接到枢轴框架400。旋转框架600包括旋转机构500的本体。顶部旋转机构510和底部旋转机构560也被显示为连接到旋转机构500且用于连接到枢轴框架400。指状物延伸机构700连接到旋转机构500。夹紧和入扣机构800经由指状物延伸机构700连接到旋转机构500。图3图示了旋转机构500旋转90 (九十)度；且指状物延伸机构700在缩回位置。该位置在用于在排放板20中接收或放回钻管立根的位置中间。
[0091]图9是旋转机构500的俯视图，图示了顶部旋转机构510 (未显示)在非旋转位置。图9和图10图示了其中枢轴框架400 (未显示)可操作地连接到旋转机构500的一个实施方式。
[0092]如在图9中最佳看到的，顶部旋转机构500包括在一端在右驱动承窝414(未显示)处枢转地连接到枢轴框架400 (未显示)且在其相反端枢转地连接到右联接器534的右驱动器532。右联接器534枢转地连接在右驱动器532和旋转框架600之间。可扩展的右缸536的一端在右缸承窝416 (未显示)处枢转地连接到枢轴框架400。右缸536的相反端在其与枢轴框架400和右驱动器534的连接部之间枢转地连接到右驱动器532。右旋转锁定销530设置成在右锁定承窝412处与枢轴框架400接合。
[0093]还如在图9中最佳看到的，顶部旋转机构500包括在一端在左驱动连接管承窝424 (未显示)处枢转地连接到枢轴框架400且在其相反端连接到左联接器544的左驱动器542。左联接器544枢转地连接在左驱动器542和旋转框架600之间。可扩展的左驱动器546的一端在左缸承窝426处枢转地连接到枢轴框架400。左缸546的相反端在其与枢轴框架400和左联接器544的连接部之间枢转地连接到左驱动器542。左旋转锁定销540设置成在左锁定承窝422 (未显示)处与枢轴框架400接合。
[0094]为底部旋转机构560提供了到顶部旋转机构510的连杆结构和承窝的基本上匹配的配置。以这种方式，顶部旋转机构510和底部旋转机构560以平行关系工作以在期望的方向上使旋转机构500的旋转框架600旋转。
[0095]为了提供可选择的旋转方向或非旋转方向，旋转机构500通过可选择的旋转锁定销530和540部分地连接到枢轴框架400。旋转框架600围绕以枢轴框架400的右锁定承窝452为中心的第一竖向轴线顺时针可旋转。旋转框架600围绕以枢轴框架400的左锁定承窝462为中心的第二竖向轴线逆时针可旋转。
[0096]如图9所示，旋转机构500的右旋转通过将右旋转锁定销530致动到枢轴框架400的右锁定承窝440 (未显示)内引起。右缸536的随后扩展迫使右驱动器532推动右联接器534，右联接器534将旋转框架600的一端推出。因为旋转框架600的另一端通过右锁定承窝412中的右旋转锁定销530而枢转地附接到枢轴框架400，所以旋转框架600向右旋转。
[0097]类似地，旋转机构500的左旋转通过将左旋转锁定销540致动到枢轴框架400的左锁定承窝422(未显示)内引起。左缸546的随后扩展迫使左驱动器542推动左联接器544，左联接器544将旋转框架600的一端推出。因为旋转框架600的另一端通过在左锁定承窝462中的左旋转锁定销540而枢转地附接到枢轴框架400，所以旋转框架600向左旋转。
[0098]旋转框架600可通过将右旋转锁定销530致动到枢轴框架400的右锁定承窝412内以及将左旋转锁定销540致动到枢轴框架400的左锁定承窝422内而锁定到非旋转位置。[0099]如之前阐述的，在顶部旋转机构510和底部旋转机构560中使用相同的运动学关系，使得它们可按平行关系工作以在期望的方向上转动旋转框架600。
[0100]图10是旋转机构500的俯视图。旋转机构500包括旋转框架600、顶部旋转连杆机构510和底部旋转连杆机构560 (未显示)。顶部旋转连杆机构510和底部旋转连杆机构560将旋转框架600枢转地连接到枢轴框架400 (未显示)。顶部旋转连杆机构510和底部旋转连杆机构560以平行关系工作以在可选择的逆时针或顺时针方向关于枢轴框架400将旋转框架600转动至少90 (九十)度。
[0101]图11是指状物延伸机构700以及竖直夹紧和入扣机构800的等距视图。指状物延伸机构700枢转地连接到旋转框架600 (未显示)。指状物延伸机构700在基本上在旋转框架600内的缩回位置和展开位置(其在旋转机构500的选择方向上向外背离旋转框架600延伸)之间可延伸。回头参考图4，与图3相比，指状物延伸机构700部分地展开。
[0102]在优选实施方式中，指状物延伸机构700可折叠在旋转框架600内使得旋转框架600、指状物延伸机构700、以及竖直夹紧和入扣机构800在48英寸距离内共同可旋转180(—百八十)度。
[0103]指状物延伸机构700包括在其上端枢转地连接到旋转框架600且在其下端枢转地连接到竖直夹紧和入扣机构800的竖直入扣框架802的上部指状物延伸机构702。指状物延伸机构700包括在其上端枢转地连接到旋转框架600且在其下端枢转地连接到竖直入扣框架802的下部指状物延伸框架704。指状物延伸缸710在第一端枢转地连接到竖直入扣框架802且在第二端连接到旋转机构500。指状物延伸缸710的延伸引起了指状物延伸机构700延伸以及竖直夹紧和入扣机构800离开旋转框架500运动，以在期望方向上定位管50。
[0104]如阐述的，竖直夹紧和入扣机构800具有竖直入扣框架802。竖直入扣框架802具有下端和相反的上端。入扣缸804定位在竖直入扣框架802上。
[0105]下部负载夹紧器820以竖直地可平移的关系安装到竖直入扣框架802。间隔器806附接在下部负载夹紧器820上方。上部负载夹紧器830安装在间隔器806上方，以与竖直入扣框架802成竖直可平移的关系。负载夹紧器820和830能够夹紧到钻井管件的外部并支撑管件的负载。入扣缸804的延伸关于竖直入扣框架802竖直向上移动下部负载夹紧器820、间隔器806和上部负载夹紧器830。
[0106]弹簧组件808定位在入扣缸804和定心夹紧器840之间。弹簧组件808利用下部负载夹紧器820和上部负载夹紧器830的重量预加载。弹簧还在下部负载夹紧器820和上部负载夹紧器830用于夹紧管50且入扣缸804延伸时被进一步加载。这减少延伸入扣缸804以升高管50所需的动力。在一个实施方式中，弹簧组件808设计成在约2，000磅的重量下实现最大压缩，该重量约是标准钻柱的重量。
[0107]预加载弹簧组件808允许来自入扣缸804的垂直力到管50的目标支撑件的逐渐加载传递，其是定位在井眼12中的钻管短柱52的接收工具接头，或者在钻台14上以用于放回钻管立根50。
[0108]定心夹紧器840定位在竖直入扣框架802的下端。定心夹紧器840稳定管50，同时允许其穿过其定心夹竖直地平移。
[0109]在可替代的实施方式中(未显示)，夹紧器组件以关于竖直入扣框架802竖直地可平移的关系进行安装。至少一个负载夹紧器830安装在夹紧器组件上。在该实施方式中，入扣缸804的延伸使夹紧器组件(包括负载夹紧器830)关于竖直入扣框架802竖直向上移动。
[0110]图12至22是图示排放机构100的操作且图示排放机构100从完全缩回位置移动以从管架20取回立根50 (或其它管件)和将立根50输送成对准以竖直入扣到定位在井眼12上方的钻管短柱52内的俯视图。在图12至22中的每一个中，为了更清楚地图示排放机构100的操作，已经移除了相当大的结构，且重点放在排放机构100、管架20、立根50和钻管短柱52之间的关系。
[0111]在图12中，排放机构100示出在完全缩回位置。在该位置，侧向延伸机构300 (不可见)、旋转机构500、指状物延伸机构700 (不可见)和夹紧和入扣机构800都完全缩回。在该位置，排放机构100可被维护。旋转机构500还可以旋转且侧向延伸机构300可以延伸以允许使用排放机构100提升其它钻井装置装备。为此目的，可以使用可替代的夹紧装置替换夹紧和入扣机构800。
[0112]图13图示了侧向延伸机构300部分地延伸的排放机构100。在该位置，排放机构100可在需要时被停放以用于到排放板20中的管50的中间进入。
[0113]图14图示了随着排放机构100朝停放在排放板20中的管50前进而在部分展开位置中的排放机构100。在该位置，侧向延伸机构300部分地延伸且旋转机构500、指状物延伸机构700和夹紧和入扣机构800延伸到在跳板24下方的位置。
[0114]图15图示了其中旋转机构500部分地向右朝管50旋转的排放机构100。图16图示了旋转机构500旋转90 (九十)度且此刻定向夹紧和入扣机构800使得夹紧器820、830和840打开且面向管50。
[0115]图17图示了指状物延伸机构700完全延伸以将夹紧和入扣机构800邻近管50定位的排放机构100。夹紧器820、830和840围绕管50关闭。入扣缸804延伸且管50被提升离开钻台10，由上部负载夹紧器830和下部负载夹紧器820竖直地悬挂。定心夹紧器840抵抗管50的不期望的弯曲和振荡。
[0116]图18图示了指状物延伸机构700缩回以将管50定位在排放板20的指状物22的端部和跳板24之间的排放机构100。旋转机构500保持顺时针旋转。在该空间中形成了过道26，管50必须穿过该过道26行进以避免与排放板20的结构冲突。
[0117]图19图示了侧向延伸机构300进一步延伸以朝井眼12中的钻管短柱52引导管50穿过过道26的排放机构100。
[0118]图20图示了具有通过侧向延伸机构300的延伸而沿大体水平路径被输送的管50的排放机构100。在该位置，管50此刻在井眼12的方向上经过跳板24。旋转机构500此刻逆时针旋转以将管50定位成与井眼12中的钻管短柱52对齐。
[0119]图21图示了旋转机构500返回到向前的且非旋转的位置从而对齐管50以输送到刚好在钻管短柱52上方的位置的排放机构100。可以同时地转动旋转机构500同时侧向延伸机构300继续在井眼12中的钻管短柱52的方向上延伸，以节省输送时间。
[0120]图22图示了被输送的管50在井眼12中的钻管短柱52正上方的竖直位置的排放机构100。在该位置，夹紧和入扣机构800的入扣缸804被下降以竖直地降低上部负载夹紧器830和下部负载夹紧器820，且因此管50，直到管50 (或其它管件)的阳螺纹连接接合钻管短柱52的阴螺纹连接。在该位置，管50可通过旋转和合适的转矩而完全连接到钻管短柱52内。
[0121]图23至26是对应于在图12至22中提供的俯视图的选择的侧视图。
[0122]图23是在图13的俯视图中图示的位置中的排放机构100的侧视图。在该视图中，排放机构100被大部分缩回。
[0123]图24是在图15的俯视图中图示的位置中的排放机构100的侧视图。在该视图中，侧向延伸机构300在管50的方向上部分地延伸，且旋转机构500向右朝管50部分地旋转。
[0124]图25是在图17的俯视图中图示的位置中的排放机构100的侧视图，其中排放机构100的指状物延伸机构700完全延伸以将夹紧和入扣机构800邻近管50定位。夹紧器820,830和840围绕管50关闭。入扣缸804延伸且管50升高离开钻台14，由上部负载夹紧器830和下部负载夹紧器820竖直地悬挂。定心夹紧器840抵抗管50的不期望的弯曲和振荡。
[0125]图26是在图22的俯视图中图示的位置中的排放机构100的侧视图，其中自动的管排放机构100具有刚好在井眼12中的短柱52上方的竖直位置中的输送的管50。在该位置，夹紧和入扣机构800的入扣缸804被降低以竖直地降低上部负载夹紧器830和下部负载夹紧器820，且因此管50，直到管50 (或其它管件)的阳螺纹连接接合钻管短柱52的阴螺纹连接。在该位置，管50可通过旋转和合适的转矩而完全连接到钻管短柱52内。
[0126]图27是图示了用虚线表示钻管50的路径的管排放机构100的可能路径的俯视图。如图27中看到的，管排放机构100能够通过跳板10 (参见图24)和指状物20之间的窄空间。
[0127]图28是装配有具有根据本发明的特征的自动立根搭建系统I的钻井装置台14的等距视图。如图28中看到的，自动立根搭建系统I包括将钻管50的节段供给到下部升降机1000的水平至竖直机构900。
[0128]下部升降机1000具有用于支撑钻管50的负载的至少一个夹紧器1002。下部升降机系统1000的夹紧器1002沿下部升降机1002是竖直地可移动的。该能力允许夹紧器1002将钻管50竖直地升高到上部升降机1100。在一个实施方式中，下部升降机100的上端沿水平轴线枢转地连接到钻井装置10。该连接允许在立井架期间升高钻井装置10的子结构之前在水平位置将下部升降机1000水平地定位附接到钻井装置10。在升高子结构之后，下部升降机1000可被枢转到其正常的竖直位置。
[0129]在一个实施方式中，上部升降机1100沿上部升降机1100的竖向轴线枢转地连接到管排放机构100的基础框架200。上部升降机1100具有下部夹紧器1102和上部夹紧器1104。下部夹紧器1104沿上部升降机1100的长度是竖直地可移动的。夹紧器1102和1104中的每一个能够支撑管50的三个节段的负载。夹紧器1102和1104是可独立操作的。
[0130]诸如动力钳的加扭矩机构可以用于使在上部升降机1100中的钻管50的第一节段相对于在下部升降机1000中的钻管50的第二节段旋转。通过该程序，钻管50的第二节段的上节段和钻管50的第一节段的下节段螺纹地连接。在可替代的实施方式中，下部升降机1000和上部升降机1100中的一个或两者利用旋转夹紧器装配，其能够使在上部升降机1100中的钻管50的第一节段相对于在下部升降机1000中的钻管50的第二节段旋转。
[0131]在一个实施方式中，自动的管排放机构100的垂直度是关于钻井装置10的井架可控制的，比如通过井架撑杆204的可控的长度来调节。在该实施方式中，使自动的管排放机构100的基础框架200倾斜且因此也使上部升降机1100朝基础框架200的井架侧302倾斜允许立根50进入钻井装置10的排放板20的界限内。
[0132]图29是当其从相对侧显示时的图28中所示的自动立根搭建系统I的等距视图。在该视图中，下部升降机1000可以更清楚地看到定位在钻台14下方。而且，水平至竖直机构900、下部升降机1000、上部升降机1100和排放机构100之间的总体位置关系在图29中更清楚地图示。
[0133]图30是本发明的水平至竖直管供给机构900的等距放大视图，其用于将诸如钻管50的管件从用于输送的钻井装置台14下方带到附接在钻井装置台14的V型门侧的边缘处的下部升降机1000。在图30提供的视图中，构成水平至竖直机构900的各种部件详细示出且进一步在下面描述。
[0134]水平至竖直机构900具有基座910。在所示实施方式中，基座910具有用于连接到钻井装置10的凸缘912。基座910枢转地连接到吊臂930、缸950和连接杆952。在一个实施方式中，基座910具有带有吊臂枢轴924的吊臂凸缘922。基座910具有带有连接杆枢轴916的连接杆凸缘914。连接杆凸缘914比吊臂凸缘924进一步从凸缘912向外延伸。基座910具有带有缸枢轴920的缸凸缘918。
[0135]水平至竖直机构900具有角形吊臂930。在所示的实施方式中，吊臂930具有用于在吊臂枢轴924处枢转地连接到基座910的基座连接端934。吊臂930具有在其相反端处的轭状物936。轭状物936具有撑杆枢轴944和臂枢轴942。在图示的实施方式中，吊臂930可在缸枢轴940处枢转地连接到缸950。
[0136]水平至竖直机构900具有杠杆960。杠杆960枢转地连接到吊臂930、连接杆952和臂980。在所示实施方式中，杠杆960具有外耳片962和内耳片964。在该实施方式中，内耳片964比外耳片短。外耳片962具有用于枢转地连接到连接杆952的枢轴连接部966。枢轴连接部968设置在外耳片962和内耳片964之间，用于在枢轴连接部942处枢转地连接到吊臂930。枢轴连接部970设置在外耳片962和内耳片964之间，用于在枢轴连接部988处枢转地连接到臂980。
[0137]水平至竖直机构900具有撑杆954。撑杆954枢转地连接在吊臂930和臂980之间。在所示实施方式中，撑杆954在一端枢转地连接到吊臂930的轭状物936上的枢轴点944。撑杆954在其相反端枢转地连接到臂980的枢轴990。
[0138]水平至竖直机构900具有臂980。臂980通过撑杆954枢转地连接到杠杆960和吊臂930。在所示实施方式中，臂980在枢轴点968处在内耳片964和外耳片962之间枢转地连接到杠杆960。臂980在枢轴990处枢转地连接到撑杆954。
[0139]臂980具有上部臂部982和下部臂部984。下部臂984沿在杠杆960的内耳片964下方延伸的方向成角度地布置到上部臂982。臂980具有在下部臂984的自由端上的夹紧器头部986。夹紧器头部986附接有能够加紧到钻井管件比如钻管50的节段的外部并能够支撑管件50的负载的至少一个夹紧器992。在所示实施方式中，提供了第二夹紧器994，用于增加提升和支撑能力。在另一实施方式中，未显示，夹紧器992和994可控制地且可旋转地附接到臂980，用于对钻管50进行附加的定位控制。
[0140]缸950枢转地连接到基座910和吊臂930之间。缸950在一端在缸凸缘918上的缸枢轴920处枢转地连接到基座910。缸950在其相反端在缸枢轴940处枢转地连接到吊臂 930。
[0141]连接杆952枢转地连接到基座910和杠杆960之间。连接杆952在一端在连接杆凸缘914上的连接杆枢轴916处枢转地连接到基座910。连接杆952在其相反端在外耳片962上的枢轴点966处枢转地连接到杠杆960。
[0142]尽管上面的描述公开了作为六杆机构的水平至竖直机构900，但是已经认识到，为此目的也可以通过利用为水平至竖直机构900公开的独特几何和运动学关系来开发八杆机构。这可能是优选的，取决于诸如特定钻井装置10的钻台14的高度或利用的钻管立根50的总长度等其它变量。特别是，这种机构可包括在基座910和吊臂930之间的另外的连杆机构。该机构的示例在图35中图示，用于对比。
[0143]图31是水平至竖直管供给机构900的等距视图，图示了机构900在其运动底部，已经从地面附近的水平管架夹紧了一段钻管50。
[0144]图32是水平至竖直管供给机构900的等距视图，图示了机构900在缸950延伸时从其底部位置向上移动，且图示了钻管50的向上移动，在该运动阶段有利地保持在大体水平位置，因此省去了任选的V型门坡道，且适应常规钻台14的各种高度。
[0145]图33是水平至竖直机构900的等距视图，图示了机构继续向上运动，且钻管50从水平位置平移到竖直倾斜的位置。
[0146]图34是水平至竖直机构900的等距视图，图示了机构900在其完全升高位置，且钻管50完全竖直，用于由下部升降机1000的夹紧器1002(图35)夹紧。
[0147]图35是管状立根搭建系统I的等距视图，图示了管状立根搭建系统I在操作中的共同致动器控制运动，如下面进一步描述的。在图35中，为了管状立根搭建系统I的其余部件的可见性，排除了排放机构100的内部部件，仅图示了排放机构100的基础框架200。在该视图中看到，上部升降机1100可以利用铰链型或其它枢轴1106枢转地连接到基础框架200。还可以看到，可延伸的井架撑杆204可用于经由井架撑杆204的延伸或缩回来改变基础框架200相对于井架16(未显不)的垂直度。
[0148]本发明的操作
[0149]参考图35，下部升降机1000安装到钻井装置10，用于以竖直定向从水平至竖直机构900接收钻管50的节段。下部升降机1000可以枢转地附接到钻井装置10使得其可以在升高子结构之前在水平位置中附接。下部升降机1000具有沿下部升降机1000的长度竖直地可平移的至少一个夹紧器1002。夹紧器1002能够加紧到钻井管件50的外部并支撑管件50的负载。
[0150]回头参考图28-29，提供了排放机构100，其具有可连接到钻井装置10的钻台14并在与也连接到钻台14的钻井井架16的V型门侧18偏移的位置向上延伸的基础框架200。在一个实施方式中，基础框架200是C型框架设计。井架撑杆204在背离钻台14的位置连接在基础框架200和钻井井架16之间，用于稳定基础框架200的上端与井架16的关系。在一个实施方式中，井架撑杆204是可调节的，用于略微朝井架16倾斜排放机构100。张紧构件206可连接在基础框架200和钻台14之间，用于稳定基础框架200与子结构的关系。
[0151]排放机构100能够在排放板20内的排放位置和比如井中心线70的井上位置之间移动立根。[0152]在一个实施方式中，侧向延伸机构300可枢转地连接到基础框架200。侧向延伸机构300在缩回位置和展开位置之间可延伸。旋转机构500连接到侧向延伸机构300并在左方向和右方向中的每一个上可旋转。指状物延伸机构700连接到旋转机构500。指状物延伸机构700在缩回位置和展开位置之间侧向地可延伸。
[0153]夹紧和入扣机构800附接到指状物延伸机构700。夹紧和入扣机构800具有夹紧器820、830和840以夹持钻管50或立根且能够竖直地移动管50以方便入扣。侧向延伸机构300可展开以使指状物延伸机构700和夹紧和入扣机构800在从井架16悬置的排放板20下方的位置至大体在井架16下方的位置移动，且返回。
[0154]在另一实施方式中，侧向延伸机构300在缩回位置和展开位置之间的移动使旋转机构500沿大体线性的路径移动。在更优选的实施方式中，侧向延伸机构300在缩回位置和展开位置之间的移动使旋转机构沿大体水平的路径移动。
[0155]旋转机构500在左方向和右方向中的每一个上可旋转。在更优选的实施方式中，旋转机构在左方向和右方向中的每一个上可旋转至少90(九十)度。在优选实施方式中，夹紧和入扣机构800是竖直地可平移的以竖直地升高和降低钻管立根50的负载。
[0156]在另一实施方式中，排放机构100可以是顺序嵌套的。在该实施方式中，指状物延伸机构700和夹紧和入扣机构800基本上可缩回到旋转机构500内，旋转机构500基本上可缩回到侧向延伸机构300的枢轴框架400内，侧向延伸机构300基本上可缩回到基础框架200内。
[0157]上部升降机1100枢转地连接到基础框架200，用于在竖直定向上从下部升降机1000接收钻管50。上部升降机1100具有下部夹紧器1102和上部夹紧器1104。上部夹紧器1104沿上部升降机1100的长度竖直地可平移。上部升降机1104和下部升降机1102两者能够夹紧到钻管50的外部并支撑钻管的负载。
[0158]立根搭建动力钳1200设置成用于旋转钻管50以连接在上部升降机1100和下部升降机100之间。
[0159]继续参考图28-29，在操作中，水平至竖直机器900夹紧第一管件60，比如钻管50的节段，并将其从地面附近的水平位置升高到靠近钻台14并邻近下部升降机1000的竖直位置。下部升降机1000从水平至竖直机器900接收第一管件60。下部升降机1000竖直地升高第一管件60，其中上部升降机1100夹紧第一管件60并继续竖直地升高第一管件60。
[0160]水平至竖直机器900夹紧第二管件62并将其从地面附近的水平位置升高到靠近钻台14并邻近下部升降机1000的竖直位置。下部升降机1000从水平至竖直机器900接收第二管件62并竖直地升高第二管件62，直到第二管件62的阴型连接接合第一管件60的阳型连接。立根搭建动力钳1200使管件中的一个关于管件中的另一个旋转以在其之间构成螺纹连接。上部升降机1100然后夹紧并竖直地升高连接的第一管件60和第二管件62。
[0161]根据井操作者的需要和立根长度的要求，水平至竖直机器900可夹紧第三管件64并将其从地面附近的水平位置升高到靠近钻台14并邻近下部升降机1000的竖直位置。下部升降机1000从水平至竖直机器900接收第三管件64并竖直地升高第三管件64，直到第三管件64的阴型连接接合第二管件62的阳型连接。立根搭建动力钳1200然后使管件中的一个关于管件中的另一个旋转以在其之间构成螺纹连接。上部升降机1100然后夹紧并竖直地升高连接的第一管件60、第二管件62和第三管件64，它们共同组成连接的立根66。[0162]排放机构100从上部升降机1100接收连接的立根66，于是，上部升降机1100释放连接的立根66。在一个实施方式中，上部升降机1100可以随后相对于排放机构100的基础框架200旋转，使得上部升降机1100不再挡道。
[0163]在另一实施方式中，排放机构100然后将连接的立根66倾斜到排放板20内。排放机构100可以通过线性地致动连接到钻井井架16的可调节的井架撑杆204来倾斜。(参见图35)。排放机构100随后用于将连接的立根66定位在排放板20中且使立根66在排放板20和井眼12之间移动。
[0164]图28图示了第一管件60、第二管件62和第三管件64之间的参考和关系，其显示了第一管件60、第二管件62和第三管件64螺纹地连接在一起成为连接的立根66,且通过排放机构100定位在短柱52上方。
[0165]如本领域技术人员将理解的，公开的步骤的顺序可以改变且实现了同样有利的结果。例如，翼片可以在将下部井架节段连接到钻台(或钻台框架)之前被展开。
[0166]如描述的，这些元件之间的关系已经显示为在提供能够安装到常规的钻台上且能够在大体常规的排放板内的排放位置和在井眼上方的入扣位置之间提升和移动钻管的排放机构100中是极其有利的。
[0167]因此已经参考本发明的优选实施方式描述了本发明，应注意，公开的实施方式是图示性的而本质上不是限制性的且在前述公开中考虑各种各样的改变、修改、变化和替代且在某些情形中，本发明的某些特征可以在没有对应地使用其它特征的情况下使用。许多这样的改变和修改可被本领域技术人员基于前述优选实施方式的描述的评阅而认为是值得期望的。因此，合适的是，所附权利要求应宽泛地且以与本发明范围一致的方式构成。
【权利要求】
1.一种自动排管器，包括: 基础框架，所述基础框架能够连接到钻井装置的钻台，并在与钻井井架的V型门侧偏移的位置处向上延伸，所述钻井井架也连接到所述钻台； 侧向延伸机构，所述侧向延伸机构能够以可枢转方式连接到所述基础框架，所述侧向延伸机构能够在缩回位置和展开位置之间延伸； 旋转机构，所述旋转机构连接到所述侧向延伸机构，并能够在左右方向中的每一个方向上旋转； 指状物延伸机构，所述指状物延伸机构连接到所述旋转机构，并能够在缩回位置和展开位置之间侧向延伸； 夹紧和入扣机构，所述夹紧和入扣机构附接到所述指状物延伸机构，所述夹紧和入扣机构具有用于保持管状管的夹紧器；并且 所述侧向延伸机构能够展开，以使所述旋转机构、所述指状物延伸机构、以及所述夹紧和入扣机构在从所述井架呈悬臂状延伸的排放板下方的位置和大致位于所述井架下方的位置之间移动。
2.根据权利要求1所述的自动排管器，还包括: 所述侧向延伸机构在所述缩回位置和所述展开位置之间的移动使所述旋转机构沿大致线性的路径移动。
3.根据权利要求1所述的自动排管器，还包括: 所述侧向延伸机构在所述缩回位置和所述展开位置之间的移动使所述旋转机构沿大致水平的路径运动。
4.根据权利要求1所述的自动排管器，还包括: 所述旋转机构能够在左右方向中的每一个方向上旋转至少八十度。
5.根据权利要求1所述的自动排管器，还包括: 所述夹紧和入扣机构能够竖直地平移，以竖直地升高和降低管状管。
6.一种自动排管器，包括: 基础框架，所述基础框架能够连接到钻井装置的钻台，并在与钻井井架的V型门侧偏移的位置处向上延伸，所述钻井井架也连接到所述钻台； 侧向延伸机构，所述侧向延伸机构具有井架侧以及与井架侧相反的基座连接侧，所述基座连接侧以可枢转方式连接到所述基础框架，所述井架侧以可枢转方式连接到枢轴框架，所述侧向延伸机构能够在大致处于所述基础框架内的缩回位置和沿所述井架的方向超出所述基础框架的延伸位置之间移动； 旋转机构，所述旋转机构以可旋转方式连接到所述枢轴框架并具有旋转框架，在选择性地致动所述旋转机构时，所述旋转框架能够绕第一竖向轴线顺时针旋转，并能够绕第二竖向轴线逆时针旋转； 指状物延伸机构，所述指状物延伸机构具有井架侧以及与井架侧相反的框架侧，所述框架侧以可枢转方式附接到所述旋转框架，所述指状物延伸机构能够在大致处于所述旋转框架内的缩回位置和在所述旋转框架外的延伸位置之间移动；以及 夹紧和入扣机构，所述夹紧和入扣机构附接到所述指状物延伸机构，所述夹紧和入扣机构具有用于保持管状管的夹紧器。
7.一种自动排管器，包括: 排管器基础框架，所述排管器基础框架能够连接到钻井装置的钻台，并在与钻井井架的V型门侧偏移的位置处向上延伸，所述钻井井架也连接到所述钻台； 侧向延伸机构，所述侧向延伸机构具有井架侧以及与井架侧相反的基座连接侧，所述基座连接侧以可枢转方式连接到所述基础框架，所述侧向延伸机构能够在大致处于所述基础框架内的缩回位置和超出所述基础框架的延伸位置之间移动； 枢轴框架，所述枢轴框架以可枢转方式连接到所述侧向延伸机构的井架侧，所述枢轴框架能够沿大致水平路径、在基本处于所述基础框架内的缩回位置和在所述基础框架外的延伸位置之间移动； 旋转机构，所述旋转机构连接到所述枢轴框架； 旋转框架，所述旋转框架以可枢转方式连接到所述旋转机构，在选择性地致动所述旋转机构时，所述旋转框架能够绕第一竖向轴线顺时针旋转，且能够绕第二竖向轴线逆时针旋转； 指状物延伸机构，所述指状物延伸机构具有井架侧以及与井架侧相反的框架侧，所述框架侧以可枢转方式附接到所述旋转框架，所述指状物延伸机构能够在大致处于所述旋转框架内的缩回位置和在所述旋转框架外的延伸位置之间移动；以及 夹紧和入扣机构，所述夹紧和入扣机构以可枢转方式附接到所述指状物延伸机构；所述夹紧和入扣机构包括竖直入扣框架、负载夹紧器、和入扣缸，所述入扣缸连接在所述入扣框架和所述负载夹紧器之间 ，用于使所述负载夹紧器相对于所述入扣框架竖直移动。
8.根据权利要求7所述的自动排管器，还包括: 连接在所述钻井装置和所述基础框架之间的张紧构件。
9.根据权利要求8所述的自动排管器，还包括: 所述张紧构件连接到所述钻井井架的钻台。
10.根据权利要求7所述的自动排管器，还包括: 所述排管器基础框架是锥形的C型框架。
11.根据权利要求7所述的自动排管器，还包括: 井架撑杆，所述井架撑杆在远离所述钻台的位置处连接在所述基础框架和所述钻井井架之间，用于稳定所述基础框架的上端与所述井架的关系。
12.根据权利要求7所述的自动排管器，所述侧向延伸机构还包括: 延伸连杆机构和水平连杆机构； 所述延伸连杆机构以可枢转方式连接到所述基础框架、所述水平连杆机构和所述枢轴框架； 所述水平连杆机构以可枢转方式连接到所述基础框架、所述延伸连杆机构和所述枢轴框架； 可扩展的通道缸，所述通道缸以可枢转方式连接在所述基础框架和所述延伸连杆机构之间；并且 所述通道缸的受控扩展使得所述侧向延伸机构在基本处于所述基础框架内的缩回位置和在所述基础框架外的延伸位置之间沿大致水平路径移动。
13.根据权利要求12所述的自动排管器，所述侧向延伸机构还包括:所述水平连杆机构包括内侧连接杆、外侧连接杆和联接器连接杆； 所述延伸连杆机构包括上部连接杆、下部连接杆和长连接杆；并且 所述内侧连接杆和所述上部连接杆具有基本相同的长度。
14.根据权利要求12所述的自动排管器，所述侧向延伸机构还包括: 所述通道缸的一端以可枢转方式连接到所述基础框架；以及 所述通道缸的相反的另一端以可枢转方式连接到与所述长连接杆相连的所述下部连接杆的端部。
15.根据权利要求12所述的自动排管器，所述侧向延伸机构还包括: 当所述夹紧器不支撑管件的负载时，一旦所述侧向延伸机构延伸，所述侧向延伸机构使所述枢轴框架在所述基础框架的方向上略微旋转。
16.根据权利要求12所述的自动排管器，所述侧向延伸机构还包括: 所述侧向延伸机构在所述井架的方向上的延伸产生了所述延伸连杆机构和所述枢轴框架之间的枢轴连接的第一路径； 所述侧向延伸机构在所述井架的方向上的延伸产生了所述水平连杆机构和所述枢轴框架之间的枢轴连接的第二路径；并且 当所述夹紧器不支撑管件的负载时，在所述侧向延伸机构相对于所述第二路径的延伸上，所述第一路径的水平分量大于所述第二路径的水平分量。
17.根据权利要求12所述的自动排管器，所述侧向延伸机构还包括: 所述水平连杆机构包括内侧连接杆、外侧连接杆和联接器连接杆； 所述延伸连杆机构包括上部连接杆、下部连接杆和长连接杆； 所述内侧连接杆和所述上部连接杆具有基本相同的长度； 第一基座销连接部，所述第一基座销连接部将所述内侧连接杆以可枢转方式连接到所述基础框架； 第二基座销连接部，所述第二基座销连接部将所述上部连接杆以可枢转方式连接到所述基础框架； 第三基座销连接部，所述第三基座销连接部将所述下部连接杆以可枢转方式连接到所述基础框架； 第一通道销连接部，所述第一通道销连接部将所述内侧连接杆以可枢转方式连接到所述联接器连接杆并连接到所述外侧连接杆； 第二通道销连接部，所述第二通道销连接部将所述外侧连接杆以可枢转方式连接到所述枢轴框架的基座； 第三通道销连接部，所述第三通道销连接部将所述上部连接杆以可枢转方式连接到所述上部第二框架和所述上部第三框架； 第一横向销连接部，所述第一横向销连接部将所述上部连接杆以可枢转方式连接到所述长连接杆； 第二横向销连接部，所述第二横向销连接部将所述下部连接杆以可枢转方式连接到所述长连接杆；以及 第三横向销连接部，所述第三横向销连接部将所述长连接杆以可枢转方式连接到所述枢轴框架的基座。
18.根据权利要求12所述的自动排管器，所述侧向延伸机构还包括: 第一通道枢轴连接部，所述第一通道枢轴连接部将所述通道缸连接到所述基础框架； 第二通道枢轴连接部，所述第二通道枢轴连接部将所述通道缸连接到所述长连接杆；并且 其中，所述通道缸的延伸导致所述侧向延伸机构在所述井架的方向上展开。
19.根据权利要求7所述的自动排管器，所述旋转机构还包括: 顶部旋转机构，所述顶部旋转机构位于所述枢轴框架的顶端；以及 底部旋转机构，所述底部旋转机构位于所述枢轴框架的底端。
20.根据权利要求19所述的自动排管器，所述顶部旋转机构和所述底部旋转机构中的每一个还包括: 左驱动器，所述左驱动器具有框架端以及与框架端相反的自由端，所述框架端以可枢转方式连接到所述枢轴框架； 左联接器，所述左联接器的一端以可枢转方式连接到所述左驱动器的自由端，并且所述左联接器的相反的另一端以可枢转方式连接到所述旋转框架； 右驱动器，所述右驱动器具有框架端以及与框架端相反的自由端，该框架端以可枢转方式连接到所述枢轴框架； 右联接器，所述右联接器的一端以可枢转方式连接到所述右驱动器的自由端，且所述右联接器的相反的另一端以可枢转方式连接到所述旋转框架； 左可扩展致动器，所述左可扩展致动器连接在所述左驱动器和所述枢轴框架之间，使得所述左致动器的扩展使所述旋转机构围绕其与所述枢轴框架的枢轴连接部旋转；以及右可扩展致动器，所述右可扩展致动器连接在所述右驱动器和所述枢轴框架之间，使得所述右驱动器的扩展使所述旋转机构围绕其与所述枢轴框架的枢轴连接部旋转。
21.根据权利要求19所述的自动排管器，所述顶部旋转机构和所述底部旋转机构中的每一个还包括: 所述旋转框架具有左枢轴点和右枢轴点； 所述枢轴框架具有左枢轴点和右枢轴点； 可缩回的左销，所述可缩回的左销用于所述旋转框架的左枢轴点和所述枢轴框架的左枢轴点之间的选择性销连接；以及 可缩回的右销，所述可缩回的右销用于所述旋转框架的右枢轴点和所述枢轴框架的右枢轴点之间的选择性销连接。
22.根据权利要求19所述的自动排管器，所述底部旋转机构还包括: 所述可扩展致动器中的任一个是可扩展的，以将其各自的驱动器和联接器关于在所述枢轴框架和驱动器、所述驱动器和联接器、以及所述联接器和旋转框架之间的枢轴连接放置成基本共线地对准。
23.根据权利要求19所述的自动排管器，所述顶部旋转机构还包括: 所述旋转框架与所述枢轴框架的选择性左销连接；以及 所述旋转框架与所述枢轴框架的选择性右销连接，用于将所述旋转框架锁定在相对于所述枢轴框架的非旋转位置。
24.根据权利要求19所述的自动排管器，所述底部旋转机构还包括:所述顶部旋转机构和底部旋转机构的所述左销和右销能够延伸，以将所述旋转机构锁定在非旋转位置。
25.根据权利要求7所述的自动排管器，所述指状物延伸机构还包括: 上部框架，所述上部框架具有上端和下端，所述上端以可枢转方式附接到所述旋转框架，且所述下端以可枢转方式附接到所述夹紧和竖直入扣机构； 下部指状物框架，所述下部指状物框架具有上端和下端，该上端以可枢转方式附接到所述旋转框架，该下端以可枢转方式附接到所述夹紧和竖直入扣机构； 可延伸的指状物缸，所述可延伸的指状物缸具有第一端和第二端，所述第一端以可枢转方式连接到所述旋转框架，且所述第二端以可枢转方式连接到所述下部指状物框架；并且 所述指状物缸的受控延伸使所述夹紧和入扣机构从大致处于所述旋转框架内的缩回位置移动到在所述旋转框架外的延伸位置。
26.根据权利要求7所述的自动排管器，所述指状物延伸机构还包括: 上部框架，所述上部框架具有上端和下端，所述上端以可枢转方式附接到所述旋转框架，且所述下端以可枢转方式附接到所述夹紧和竖直入扣机构； 下部指状物框架，所述下部指状物框架具有上端和下端，该上端以可枢转方式附接到所述旋转框架，该下端以可枢转方式附接到所述夹紧和竖直入扣机构； 可延伸的指状物缸，所述可延伸的指状物缸具有第一端和第二端，所述第一端以可枢转方式连接到所述旋转框架，且所述第二端以可枢转方式连接到所述下部指状物框架；并且 所述指状物缸的延伸使所述夹紧和入扣机构沿大致水平路径从缩回位置移动到延伸位置。
27.根据权利要求7所述的自动排管器，还包括: 竖直入扣框架，所述竖直入扣框架附接到所述指状物延伸机构； 所述竖直入扣框架包括下部夹紧器框架和以竖直可滑动的关系与所述下部夹紧器框架相连的上部夹紧器框架； 入扣缸，所述入扣缸能够扩展，以使所述上部夹紧器框架相对于所述下部夹紧器框架升闻; 负载夹紧器，所述负载夹紧器安装到所述上部夹紧器框架；以及 定心夹紧器，所述定心夹紧器安装到所述下部夹紧器框架。
28.—种自动排管器，包括: 基础框架，所述基础框架能够连接到钻井装置的钻台，并在与钻井井架的V型门侧偏移的位置处向上延伸，所述钻井井架也连接到所述钻台； 侧向延伸机构，所述侧向延伸机构具有井架侧以及与井架侧相反的基座连接侧，所述侦U向延伸机构能够以可枢转方式连接到所述基础框架，所述侧向延伸机构能够在缩回位置和展开位置之间延伸； 枢轴框架，所述枢轴框架以可枢转方式连接到所述侧向延伸机构的井架侧； 旋转框架，所述旋转框架能够在大致处于所述枢轴框架内的存放位置和大致在所述枢轴框架外的完全展开位置之间旋转；指状物延伸机构，所述指状物延伸机构具有井架侧以及与井架侧相反的框架连接侧，所述框架连接侧以可枢转方式附接到所述旋转框架； 所述指状物机构能够在大致处于所述旋转框架内的缩回位置和在所述旋转框架外的延伸位置之间移动；以及 夹紧和入扣机构，所述夹紧和入扣机构连接到所述指状物延伸机构的井架侧，并具有能够夹紧到钻井管件的外部的、多个可操作的夹紧器，所述可操作的夹紧器能够在大致竖直的方向上平移。
29.一种自动排管器，包括: 排管器基础框架，所述排管器基础框架能够固定地连接到钻井装置的钻台，并在与钻井井架偏移一段距离的位置处大致向上延伸，所述钻井井架也连接到所述钻台； 井架撑杆，所述井架撑杆在远离所述钻台的位置处连接在所述基础框架和所述钻井井架之间，用于稳定所述排管器基础框架； 侧向延伸机构，所述侧向延伸机构具有井架侧以及与井架侧相反的基座连接侧，所述基座连接侧以可枢转方式连接到所述基础框架，且所述侧向延伸机构能够在大致处于所述基础框架内的缩回位置和在所述基础框架外的延伸位置之间移动； 枢轴框架，所述枢轴框架以可枢转方式连接到所述侧向延伸机构的井架侧； 旋转框架，所述旋转框架以可枢转方式连接到所述枢轴框架，且能够在大致处于所述枢轴框架内的存放位置和 大致处于所述枢轴框架外的完全展开位置之间旋转； 指状物延伸机构，所述指状物延伸机构具有井架侧以及与井架侧相反的框架连接侧，所述框架连接侧以可枢转方式附接到所述旋转框架； 所述指状物延伸机构能够在大致处于所述旋转框架内的缩回位置和在所述旋转框架外的延伸位置之间移动；以及 夹紧和入扣机构，所述夹紧和入扣机构连接到所述指状物延伸机构的井架侧，并具有能够夹紧到钻井管件的外部的、多个可操作的夹紧器，所述可操作的夹紧器能够在大致竖直的方向上移动。
30.一种立根搭建器,包括: 钻井装置，所述钻井装置具有钻台； 水平至竖直机构，所述水平至竖直机构附接到所述钻台的侧面； 下部升降机，所述下部升降机位于所述钻台的侧面下方，用于从所述水平至竖直机构接收管件的节段； 上部升降机，所述上部升降机位于所述钻台上方，用于从所述下部升降机接收所述管件的节段；以及 动力钳，所述动力钳通过所述下部升降机和上部升降机中的管件的两个节段之间的相对旋转而进行螺纹连接。
31.根据权利要求30所述的立根搭建器，还包括: 基础框架，所述基础框架能够连接到所述钻井装置的钻台；并且 所述上部升降机连接到所述基础框架。
32.根据权利要求30所述的立根搭建器，还包括: 侧向延伸机构，所述侧向延伸机构具有井架侧以及与井架侧相反的基座连接侧，所述基座连接侧以可枢转方式连接到所述基础框架； 枢轴框架，所述枢轴框架以可枢转方式连接到所述侧向延伸机构的井架侧； 旋转机构，所述旋转机构被连接到所述枢轴框架； 旋转框架，所述旋转框架以可枢转方式连接到所述旋转机构； 指状物延伸机构，所述指状物延伸机构具有井架侧以及与井架侧相反的框架侧，所述框架侧以可枢转方式附接到旋转框架；以及 夹紧和入扣机构，所述夹紧和入扣机构以可枢转方式连接到所述指状物延伸机构的井架侧。
33.根据权利要求30所述的立根搭建器，所述夹紧和入扣机构还包括: 竖直入扣框架； 负载夹紧器；以及 入扣缸，所述入扣缸连接在所述入扣框架和所述负载夹紧器之间，用于使所述负载夹紧器相对于所述入扣框架竖直移动。
34.根据权利要求30所述的立根搭建器，所述下部升降机的上端以可枢转方式连接到所述钻台。
35.根据权利要求30所述的立根搭建器，所述上部升降机和所述下部升降机各自具有可平移的第一夹紧器。
36.根据权利要求30所述的立根搭建器，所述上部升降机具有第二夹紧器。
37.根据权利要求30所述的立根搭建器，所述水平至竖直机构还包括: 基座； 吊臂，所述吊臂的第一端以可枢转方式连接到所述基座； 杠杆，所述杠杆以可枢转方式连接到所述吊臂的第二端； 臂，所述臂的第一端以可枢转方式连接到所述杠杆；以及 夹紧器，所述夹紧器附接到所述臂的第二端。
38.根据权利要求37所述的立根搭建器，所述水平至竖直机构还包括: 缸，所述缸的第一端以可枢转方式连接到所述基座，所述缸的第二端以可枢转方式连接到所述吊臂的位于所述吊臂的第一端和第二端之间的部分。
39.根据权利要求37所述的立根搭建器，所述水平至竖直机构还包括: 所述杠杆具有内耳片和外耳片，所述内耳片相对于所述外耳片而言较短。
40.根据权利要求39所述的立根搭建器，所述水平至竖直机构还包括: 连接杆凸缘，所述连接杆凸缘从所述基座向外延伸； 连接杆，所述连接杆以可枢转方式连接在所述杠杆的外耳片与所述连接杆凸缘之间。
41.根据权利要求37所述的立根搭建器，所述水平至竖直机构还包括: 所述臂包括上臂和下臂，所述下臂相对于所述上臂成角度地布置。
42.根据权利要求37所述的立根搭建器，所述水平至竖直机构还包括: 所述吊臂具有角形吊臂。
43.根据权利要求37所述的立根搭建器，所述水平至竖直机构还包括: 撑杆，所述撑杆的第一端以可枢转方式连接到所述吊臂的第二端，所述撑杆的第二端以可枢转方式连接到所述臂的第一端。
【文档编号】E02B17/00GK103958816SQ201280058508
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2012年11月28日 优先权日:2011年11月28日
【发明者】凯斯·J·奥勒格罗恩 申请人:T&T技术维护公司