CN101040100B - 管子操纵装置和钻井机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管子操纵装置，用以在基本上水平的传递站和第二站之间移动管子。该装置包括一个基座和一个吊杆，该吊杆由吊杆旋转驱动装置在吊杆旋转方向绕水平吊杆旋转轴相对于基座在下降位置与提升位置之间是可旋转的。此外，该装置包括可旋转地安装到吊杆并适合于抓取管子的抓手装置，该抓手装置由一个抓手装置旋转驱动装置在抓手装置的旋转方向绕抓手装置旋转轴线是可旋转的。根据本发明，该抓手装置的旋转轴线平行于并与水平的吊杆旋转轴线隔开同时其中该抓手装置旋转驱动装置提供与吊杆旋转方向相反的抓手装置的旋转方向。

Description

管子操纵装置和钻井机 

本发明涉及一种改进的管子操纵装置，用以在基本上水平的传递站与第二传递站，例如基本上垂直的第二传递站，之间移动管子。该装置包括一个基座和一个吊杆，该吊杆相对于基座在下降位置与提升位置之间由转架旋转驱动装置在吊杆旋转方向绕水平的吊杆旋转轴线是可旋转的。此外，该装置包括一个可旋转地安装到吊杆上并适合于抓取管子的抓手装置，该钻取器由一个抓手装置旋转驱动装置在抓手装置旋转方向绕抓手装置旋转轴线是可旋转的。 

从权利要求1的前言所基于的GB 2 080 857已知一种管子操纵装置，用以在水平位置和垂直位置之间提升和降低钻井机中的管子，在该水平位置运输管子并储存在架子上，在该垂直位置将管子对准钻井机结构和由所述钻井机操纵的钻具组。在此已知的装置中，由两个可旋转地安装的卡头抓取管子，该卡头可绕平行于吊杆的旋转轴线旋转。该卡头在侧装载位置之间是可旋转的，以便利于水平位置和中央位置的装载与卸载，其中当吊杆处在垂直队位置时，夹住的管子对准钻孔轴线或钻井机的石油运输工地。该卡头被液压缸旋转，该液压缸可以由液压顺序回路自动地操纵进入侧装载位置，不论什么时候吊杆与卡头中的管子一起枢转。吊杆在平行于钻塔的垂直位置与水平位置之间是可由吊杆缸枢转的。 

从GB 2 080 857已知的装置是不满意的。因此本发明的一个目的是提供一种改进的操纵管子的装置。 

通过提供根据权利要求1的前言的操纵管子的装置本发明实现此目的，其中抓手装置旋转轴线平行于并与水平吊杆旋转轴线隔开同时抓手装置旋转装置提供一个与吊杆旋转方向相反的抓手装置的旋转方向。 

使用本发明的装置可以从储存架等上抓起一根水平方位的管子同时以一种“组合的运动”送到第二传递站，例如处在基本上垂直的在提升水平的位置，或者反过来。 

为便于在吊杆降低的位置装载和卸载，于是抓手装置最好位于吊杆的下面。当吊杆朝向一个垂直的位置提升时抓手装置以对于吊杆旋转方向的逆时针方向被转到吊杆的另一侧。 

该管子操纵装置可用于地面基地的(钻孔)应用，但也可用于离岸应用(钻孔和海上管子铺设)，例如，其中该装置放在钻孔或管子铺设船只上或者可能是离岸钻井机上(诸如，海上钻井平台)。 

该装置允许携带管子到第二传递站，该传递站可以具有垂直的或接近垂直的方位，但是也可以是倾斜的方位(例如用于倾斜钻井操作)。在第二传递站从抓手装置释放管子并传送到另一台装备。例如，将管子传送到一台对准装置以便将管子与在钻井机的钻孔轴线上的钻具对准。在第二传递站管子可以是垂直的方位，最好与水平成至少45°角，更好至少55°度角，例如对于倾斜钻孔。 

在实际情况中，基本上水平的传递站是管子储存站而第二传递站是钻井机构、管子铺设系统结构、升降设备等的一个。该升降设备可以与另一结构组合，诸如构成钻井机的一部分，用以从第二传递站将管子传递到与钻井机的输油工地(钻具)对准的位置。也可能垂直地储存管子并依次地将它们提升到水平的传送位置，例如当管子垂直地储存在半潜水船的结构时。 

能够以根据本发明的管子操作装置来处理的管子可以是任何型式的管子：油井和水井管子和杆件，钻井管子，钻头套圈，套管，生产管子，吸引器杆件，泵排水管，测井工具，底孔组件，管线接头等等。 

可以在较高速度下操作管子操纵装置，例如，以便最大化钻井工作的效率。 

根据本发明的这种装置的一个优点是，由于其稳定的结构和管子的预确定轨迹，可以将该装置设计得很安全。 

在一个优选实施例中，当吊杆旋转与抓手装置旋转基本上同时发生时，装置可以工作得很快。因此，吊杆旋转驱动装置和抓手装置旋转驱动装置适合于同时操作。在吊杆从降低位置到提升位置的旋转方向与抓手装置旋转方向上同时移动管子。 

在一个优选实施例中，该钻井包括二个最好平行的杆，在该二杆之间抓手装置和抓取的管子可以通过。最好是，在两杆远离基座的末端处设置交叉杆。因此产生的U型吊杆结构提供很稳定的构造。但是，转架也可以是，例如，一个单一的杆或A框架。 

在一个优选实施例中，抓手装置旋转驱动装置包括一个设置在基座与抓手装置之间的并连接到吊杆的运动连杆组件。吊杆旋转驱动装置需 要至少一个致动装置，但是为驱动抓手装置旋转就不需要另外的液压或电子驱动装置。因此，仅需要一个吊杆致动装置以执行吊杆和抓手装置二者的运动，这就降低维修与损坏的危险。 

最好是，吊杆旋转驱动装置包括一或几个液压致动缸。作为一种选择，吊杆旋转驱动装置可以包括一个铰盘和缆绳，一个液压旋转致动器等。 

在一个优选实旋例中，抓手装置驱动装置包括至少一根沿吊杆延伸，与基座一端和抓手装置另一端相连接的杆，抓手装置的旋转驱动装置还包括连接吊杆与杆件以及抓手装置的连接杆构件，可能通过一个抓手装置连杆构件将连杆构件连接到抓手装置。 

最好是，连杆构件是一块板，而最好是，抓手装置连接构件是一根杆。 

在另一优选实施例中，吊杆旋转驱动装置包括一个基座连杆构件，它可枢转地连接到基座以及远离吊杆旋转轴线的吊杆的一部分，同时其中在基座与基座连杆构件之间设置一或多个致动器。这就能使吊杆旋转驱动装置的几何形状的优化设计，特别从装置的尺寸的观点来看，它具有其对装置运输能力的影响。连杆构件的另一优点是优化作用到装置上的载荷。 

在另一个可以容易地运输管子操纵装置优化实施例中对于ISO货运箱的尺寸是可伸缩的，最好是40英尺的箱子。方便的是，作为ISO货运箱的一部分设计管子操纵装置的基座并具有ISO货运箱用的配件。最好是，管子操纵装置的箱子以与另一个ISO货运箱联接，最好是一个40英尺的箱子以构成完全的平台。 

最好是，吊杆是可伸缩的以及抓手装置旋转驱动装置的杆是可伸缩的，以便于运输和在工地上安装与拆卸。 

本发明还涉及钻井设备，它包括一个钻井机构和一个相关的管子传递站，该站设置一个吊起装置用以提升和降低一系列互连的管子，并设置管子储存站和一个基本上水平的管子传递站，该钻进机还设置一台管子操纵装置。 

本发明还涉及水下管道铺设系统，它包括管子铺设塔和相关的管子传递站，该站设置管子储存站，该水下管子铺设系统还设置管子操纵装置用以在储存装置与塔之间移动管子、通用管接头。 

此外，本发明涉及一种用以在基本上水平的传递站和第二(可能基本上垂直方位的)传递站之间操纵管子的方法。该方法包括以下步骤：用抓手装置抓取管子，该抓手装置可旋转地安装到吊杆上；相对于基座下降位置与提升位置之间绕水平的吊杆旋转轴线旋转吊杆；同时绕水平的抓手装置旋转轴线旋转抓手装置，其特征在于该抓手装置旋转轴线平行且与水平吊杆旋转轴线隔开，还在于抓手装置的旋转方向与吊杆的旋转方向相反。此方法，例如，可以是钻井工作或管道铺设工作的一部分。 

通过结合附图参考以下详细描述将最好地理解本发明。 

图1表示根据本发明的管子操纵装置，以管子处在水平的第一传递站， 

图2表示图1的管子操纵装置，以管子处在垂直的第二传递站， 

图3表示抓手装置旋转驱动装置的放大视图， 

图4表示根据本发明的管子操纵装置的透视图，以管子靠近水平的第一传递站， 

图5表示根据本发明的管子操纵装置的透视图，以管子处于水平的第一传递站与垂直的第二传递站之间， 

图6表示根据本发明的管子操纵装置的透视图，以管子靠近垂直的第二传递站， 

图7表示处于箱子中的根据本发明的管子操纵装置。 

在图1中表示根据本发明的管子操纵装置的一个例子。 

还是图1所示的是一根管子2座落在管子储存站20(构成一个水平的第一传递站)上的水平传递位置，该站的支撑框架件46在图1、2和3中是可见的。 

该装置1基本上包括基座3、吊杆4、和用于管子2的抓手装置7。 

该吊杆4相对于基座3绕下降位置(如图1所示)和提升位置(如图2所示)之间的吊杆旋转轴线6是可旋转的。如图示此处吊杆在下降位置中基本上是水平的并旋转到接近垂直的位置。 

从图4-6很清楚，在此例中吊杆4包括两根平行的杆4a和4b，当旋转架4时抓手装置7和抓取的管子2可以在该两杆这间通过。为了稳定性在两平行杆4a和4b远离基座部分36的两端处设置交叉杆12。 

抓手装置7可旋转地安装在吊杆4上并适合用于抓取管子2。该抓手装置7可以包括任何合适的抓取装置用于松开和可靠地夹持管子2。在此例子中该抓手装置7包括安装在抓手装置7的框架7b上的两个分开的夹紧装置7a，该抓手装置的框架悬挂在吊杆4上，最好接近其末端。

此处抓手装置框架7b是一个窄长的框架，具有在要抓取的管子2的方向的纵轴线。 

在所示的实施例中，基座3包括一个具有ISO货运箱角配件3a的平的床基座部分3d，最好设计成类似于40英尺的箱子。设计两个平行基座部分3b用以枢转地连接并支撑吊杆4的下端的杆4a、b。如以下将解释的，基座部分3c适于支撑吊杆旋转驱动装置。 

吊杆4在图1所示的下降位置与图2所示的提升位置之间可由吊杆旋转驱动装置5a、5b和5c在吊杆旋转方向10绕水平吊杆旋转轴线6枢转。 

此处吊杆旋转驱动装置5a-5c包括两个液压致动缸5a(该缸的一个示于图1和2中)，该缸在一端连接到基座部分3c并且可枢转地在另一端连接到基座连杆构件5b。基座连杆构件定位在二支撑件3b之间，同时绕旋转轴线5d可枢转地连接到基座部分3b。此旋转轴线5d与缸5a的枢转安装件隔开。 

同样基座连杆5b可枢转地连接到杆5c，该杆可枢转地连接到远离吊杆旋转轴线6的吊杆4的一部分。 

抓手装置7可以由抓手装置旋转驱动装置9a-9e在抓手装置旋转方向11绕抓手装置旋转轴线8旋转。此方向11与吊杆旋转方向10相反。 

示例抓手装置旋转驱动装置9a-9e的一部分示于图3中的放大视图。 

在此例中，如优选的，抓手装置旋转驱动装置9a-9e包括设置在基座部分3b与抓手装置7之间的运动连杆组件并连接到吊杆4。由于存在这种运动连杆就不需要用以使抓手装置7旋转的特定动力的致动器(诸如液压的或电动的致动器)。事实上吊杆4是驱动部分而抓起器是“从动件”，其中抓手装置运动由运动连杆的设计引起。这是很安全与可靠的，因为连杆可以设计得坚固和可靠的。所以可以避免以下问题，即当吊杆旋转驱动装置被致动时抓手装置旋转的动力致动器损坏或失效，这可能，例如，导致另一结构的管子振动(诸如钻井机或管子铺设结构)。 

该运动连杆组件，在此例中，包括两根杆件9a(该杆的一根在图1-3中表示)，每一根沿吊杆4的杆4a、4b延伸。 

每根杆9a以其一端9d可枢转地连接到对应的基座部分3b同时—如在图3中可以清楚地见到的——以其另一端9e枢转地连接到杆连接构件9b。该杆连接构件9b，此处设计成板，可枢转地通过旋转轴9f连接到吊杆4，该旋转轴平行于枢转轴8。 

还在此例中抓手装置连杆构件9c，此处实施成一根杆件9c，通过枢转轴9h枢转地连接到远离轴8的抓手装置框架7b上。此外，连接构件9c通过枢转轴9i枢转地连接到连接构件9b。可以设想免去此构件9c而通过窄槽销连接将杆连接构件成9b直接连接到框架7b。 

在所示吊杆旋转驱动装置5a-5c和抓手装置旋转驱动装置9a——9e的设计中抓手装置旋转轴8平行于且与水平的吊杆旋转轴6隔开。抓手装置旋转方向11与吊杆旋转方向10相反。 

在图4-6的透视图中表示本发明的管子操纵装置1的工作。此处，该管子操纵装置1在水平的管子储存站20与垂直钻井机结构30之间移动管子2。 

在这些图4-6中还表示用以提升和下降管子2的传统倾斜的导向滑轨40。此滑轨40在储存站20与钻井机结构的平台31之间延伸。如可以见到的此滑轨40在吊杆4的杆件4a和4b之间通过。 

从图4-6的此透视图，很清楚，有两个液压的吊杆旋转驱动缸5a，以及抓手装置旋转驱动装置的两根杆9a。还有，基座零件3b和3c对称地设计在基座板3d上。 

吊杆的杆件4a、b和抓手装置旋转驱动装置9a-9e的杆件9a是可伸缩的。可以设置一个特殊的驱动装置以引起伸缩运动，但此处可以设想，例如，使用一滚轮以延长或缩短吊杆和杆件。 

此处，基座3设计成具有ISO货运箱角配件3a的ISO货运箱的一部分。 

由于吊杆4和杆件9a是可伸缩的整个装置可以被减小到一个ISO货运箱50的尺寸，最好一个40英尺的箱子，如图7所示。这种箱子50可以容易地被运输并容易地与另一个ISO货运箱联接。可以设想钻井机结构30设置ISO角配件，可以将装置1的ISO角配件连接到该ISO角配件上。 

Claims (27)

1.用以在第一传递站和第二传递站之间移动管子的管子操纵装置，其中，该第一传递站是基本上水平的，该管子操纵装置包括：

基座，

吊杆，可相对于基座在下降位置和提升位置之间由吊杆旋转驱动装置在吊杆旋转方向绕水平的吊杆旋转轴线旋转；

抓手装置，可旋转地安装到吊杆上并适合于抓取管子，该抓手装置是由抓手装置旋转驱动装置在抓手装置旋转方向绕抓手装置旋转轴线可旋转的，

其中，抓手装置旋转轴线平行于并与水平的吊杆旋转轴线隔开，并且抓手装置旋转驱动装置提供与吊杆旋转方向相反的抓手装置旋转方向，

其特征在于：抓手装置旋转驱动装置包括至少一根沿吊杆延伸的杆，该杆的一端枢转地连接到基座且离开该水平的吊杆旋转轴线，该抓手装置旋转驱动装置还包括一杆连接构件，该杆的另一端枢转地连接到该杆连接构件，该杆连接构件枢转地连接到吊杆和杆，该杆连接构件通过抓手装置连接构件连接到该抓手装置或者通过窄槽销连接直接连接到该抓手装置。

2.根据权利要求1的管子操纵装置，其中吊杆旋转驱动装置和抓手装置旋转驱动装置适合于同时工作，这样在吊杆旋转方向从下降位置到提升位置并在抓手装置旋转方向移动管子。

3.根据权利要求1的管子操纵装置，其中吊杆包括两根杆件，在吊杆旋转时抓手装置和抓取的管子在该两根杆件之间通过。

4.根据权利要求3的管子操纵装置，其中在两杆件远离基座的末端设置交叉杆。

5.根据权利要求1的管子操纵装置，其中通过一个抓手装置连接构件将杆连接构件连接到抓手装置。

6.根据权利要求1的管子操纵装置，其中杆连接构件是一块板。

7.根据权利要求5的管子操纵装置，其中抓手装置连接构件是一根杆件。

8.根据权利要求1的管了操纵装置，其中吊杆旋转驱动装置包括一或多个液压致动缸。 

9.根据权利要求1的管子操纵装置，其中吊杆旋转驱动装置包括一个基座连接构件，该构件可枢转地连接到基座，其中一个或多个致动器设置在基座和基座连接构件之间。

10.根据权利要求1的管子操纵装置，其中吊杆旋转驱动装置包括一个基座连接构件，该构件可枢转地连接到基座并通过置于其间的可枢转杆连接到远离基座的吊杆的一部分，其中一个或多个致动器设置在基座和基座连接构件之间。

11.根据权利要求1的管子操纵装置，其中吊杆是可伸缩的。

12.根据权利要求1的管子操纵装置，其中抓手装置旋转驱动装置的沿吊杆延伸的杆是可伸缩的。

13.根据权利要求1的管子操纵装置，其中基座被设计成ISO货运箱的一部分。

14.根据权利要求13的管子操纵装置，其中基座具有ISO货运箱的角配件。

15.根据权利要求13的管子操纵装置，相对于ISO货运箱的尺寸，该管子操纵装置是可伸缩的。

16.根据权利要求15的管子操纵装置，该ISO货运箱是40英尺箱子。

17.根据权利要求13或15的管子操纵装置，该管子操纵装置能够与另一个ISO货运箱联接。

18.根据权利要求17的管子操纵装置，该另一个ISO货运箱是40英尺箱子。

19.根据权利要求1的管子操纵装置，其中基本上水平的第一传递站是管子储存站。

20.根据权利要求1的管子操纵装置，其中第二传递站是钻井机结构、水下管子铺设结构或起重机的一部分。

21.根据权利要求1的管子操纵装置，其中管子是油井或水井管子或杆，钻井管子，钻套，套管，生产管道，吸引器杆，泵排水管，钻井记录工具或底孔组件或管线接头。

22.钻井机，包括钻井机结构和一个与所述钻井机结构相关的第二管子传递站，该钻井机设置一起吊装置用以提升和降低一系列互连的管子，并设置一个管子储存站，该管子储存站是一个基本上水平的管子传递站，该钻井机还设置根据前述权利要求1-21之一的管子操纵装置，该管子操 纵装置用以在管子储存站和第二管子传递站之间移动管子。

23.水下管子铺设系统，包括管子铺设塔和与所述塔相关的第二管子传递站，该系统还设置管子储存站，该管子储存站是基本上水平的管子传递站，该水下管子铺设系统还设置根据前述权利要求1-21之一的管子操纵装置，该管子操纵装置用以在管子储存站和第二管子传递站之间移动管子。

24.在第一传递站与第二传递站之间操纵管子的方法，其中使用根据前述权利要求1-21之一的管子操纵装置，其中，第一传递站是基本上水平的，该方法包括：

当所述管子处在一个传递站时，用抓手装置抓取管子，

相对于基座在下降位置与提升位置之间绕水平的吊杆旋转轴线旋转吊杆，同时绕抓手装置旋转轴线旋转抓手装置，因此管子到达另一个传递站。

25.根据权利要求24的操纵管子的方法，其中抓手装置的旋转与吊杆的旋转同时出现。

26.根据权利要求24-25任意一项的操纵管子的方法，作为钻井工作的一部分。

27.根据权利要求24-25任意一项的操纵管子的方法，作为铺设管子的一部分。 

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