CN101680279B - 用于使连接器具在钻机上运动的设备和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于使连接器具在钻机上运动的设备和方法，该设备包括杆(190)和延伸设备(100)，该延伸设备包括座(141)、至少第一连杆机构(110)、第二连杆机构(120)、第三连杆机构(130)、用于支撑连接器具的支架(18)、和布置在座(141)和第一连杆机构(110)之间的动力驱动延伸设备(150)，其中，在致动动力驱动延伸设备(150)时，所述第一连杆机构10(110)、所述第二连杆机构(120)和所述第三连杆机构(130)延伸或缩回以使所述支架(18)背离或朝向所述杆(190)运动。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于使连接器具在钻机上运动的设备和方法，所述连接器具例如但不限于大钳、旋转器(spinner)或铁钻工。
背景技术
在油井或气井地层中钻井孔时，钻头布置在钻柱的端部并且被旋转以钻出井孔。钻柱包括称为钻杆段的管柱。钻杆段包括上端部和下端部。上端部设置有带母螺纹的增大部分，通常称为内螺纹端；下端部设置有竖立部和公接头，通常称为外螺纹端。钻杆段连接成由两段或三段构成的立根。这可使用设置在钻机平台的底板中的鼠洞在远离井中心的位置实现。然后将立根从鼠洞运动到井中心并且连接至井中的钻杆柱。
为了实现钻杆之间的连接，无论钻杆是钻杆段、钻杆立根或钻杆柱的形式，都通过旋转器或扭矩扳手这两种工具进行连接。钻杆段或立根的外螺纹端被下入保持在鼠洞或井中心中的钻杆段或钻杆柱的内螺纹端中。钻杆段或立根在吊卡中被提升到鼠洞或井中心。钻杆段或立根的外螺纹端被下入保持在鼠洞或井中心中的钻杆的内螺纹端中。然后移走旋转器，将扭矩扳手一直提供至钻杆。使用固定大钳以阻止保持在鼠洞或井中心中的钻杆在加扭矩过程中运动，并且可在旋转过程中使用固定大钳。致动大钳以使钻杆段或立根旋转，并且将连接件加至所需扭矩。然后从钻杆移走扭矩扳手和固定大钳。通常称为铁钻工的设备将旋转器与大钳和固定大钳结合在一起。
在某些接头类型中，内螺纹端和竖立部“肩式连接”，以使得在为接头加扭矩时，竖立部的面和内螺纹端的面接触，并且使上部钻杆相对于下部钻杆转动所需的扭矩发生急剧升高。该接头类型在旋转步骤之后通常需要转动小于四十五度来进行加扭矩步骤。但是，一些连接件不具有肩部，并且具有连续螺纹，例如Hydrill楔形螺纹(HydrillWedge Thread)类型连接件。
在修理井的过程中，钻杆柱以与钻柱几乎相同的方式下入井中。但是，柱有时指下井仪器串(tool string)而不是指钻柱。
其他管用在油井或气井的构建和维修中，比如套管。套管通常在井中心处以多个单段的形式旋入并且下入井中。然后，套管从井顶部悬挂下来并且可用水泥固定到位。通常称为衬管的其他管被旋接在一起并且下入井中。衬管从套管段的底部悬挂下来并且可用水泥固定到位。
井下工具也可连接至下述部件中的任一种：钻柱；下井仪器串；套管；或衬管。这些井下工具可通过螺旋螺纹连接，并且因而需要旋转和加扭矩。
用于旋转和加扭矩的上述方法可应用于上述的具有螺旋螺纹连接的管中的任一种。
“铁钻工”与扭矩扳手和旋转扳手结合以在将管柱下入井中或从井中取出管柱时连接和分离管，例如钻井部件(比如钻杆)。在例如下述美国专利中显示了现有技术的大钳系统和铁钻工：U.S.4,023,449；4,348,920；4,765,401；6,318,214；6,776,070；7,249,639和7,313,986，通过引用将所有上述专利的全部内容并入本文。
各种现有技术的铁钻工具有一起安装在托架上的旋转扳手和扭矩扳手。为了形成或断开两个管之间的螺纹连接，例如钻杆接头，某些铁钻工具有带两种爪高度的扭矩扳手。扭矩扳手的上部爪用于夹持在上部管的一部分上，下部爪夹持在下部管的一部分上，例如钻杆的上部和下部螺纹连接件。在夹持在连接好的管上之后，上部爪和下部爪相对于彼此旋转，以断开上部管和下部管之间的连接。安装在扭矩扳手上方的托架上的旋转扳手与上部管接合，并且旋转上部管，直到上部管与下部管分离。
某些现有技术的铁钻工系统包括用于沿预定路径在钻台表面上滚动的托架。在某些现有技术系统中，旋转器和扭矩扳手安装用于相对于托架向上和向下运动，以与管适当接合，并且用于在其中它们的轴线完全竖直延伸以与竖直井管接合的位置和其中旋转器和扭矩扳手的轴线布置在相对于真正的竖直方向稍微倾斜的位置之间进行倾斜运动，从而在倾斜的鼠洞中接合管和对管进行相反动作。在某些现有技术系统中，旋转器可相对于扭矩扳手竖直运动。
某些铁钻工安装在可延伸且可缩回的支承结构上，用于相对于井筒中心来回运动，而不干涉或阻碍相对于所述井和旋转或驱动设备进行的其他操作的性能。
美国专利7,249,639(具有与本发明共同的共有人)公开了一种用于将铁钻工运动到位以允许在钻柱中形成螺纹接头或分离螺纹接头的设备。所述设备还可用于使其他钻机器具运动到井中心线或鼠洞的位置处。自平衡双同步平行四边形臂用于实现装置的运动。液压缸或气动缸用于使臂延伸和缩回，而不用于支承工具。所述臂可将工具保持在任何位置中而无需缸的辅助。呈同步平行四边形的连杆机构可通过齿轮、连杆、槽或滚柱来实现。在某些方面中，公开了一种用于使钻井器具运动的设备，所述设备具有：连接至钻台的柱体；连接至柱体的柱体引导装置；在第一连接点处连接至柱体引导装置的至少一个平行四边形臂，所述至少一个平行四边形臂包括受拉连杆、下支撑臂、上支撑臂、压缩连杆、和载荷传送接头；在第二连接点处连接至平行四边形臂的钻井设备；和连接至柱体引导装置的缸，用于沿柱体升高和/或降低柱体引导装置。
美国专利7,313,986(具有与本发明共同的共有人)公开了一种在托架上具有扭矩扳手和旋转扳手的系统，所述托架可动地连接至柱体，用于相对于柱体上/下竖直运动，并且所述托架也可在钻台上水平平移，用于朝向或背离井中钻柱的钻杆运动。支撑臂可在一端部枢转地连接至托架的底部，并且在其另一端部连接至支架。可选地，仅使用一个支撑臂或使用两个平行臂。连接件可拆卸地安放在凹窝中以将所述系统安装在钻机上。在一个特定方面中，双臂使旋转器/扳手组合24”从柱体向外运动，这导致竖直地升高6.5”。所述扳手可通过使支撑臂运动而经由动力机构朝向或背离柱体14运动。旋转扳手可在托架上朝向或背离扭矩扳手上下运动。控制台通过有线或无线与系统部件通讯，并且可远距离设置。
发明人已经注意到所述用于使连接器具运动的设备所占据的钻台空间非常大。发明人已经注意到现有技术的设备需要轨道以使连接装置在其上运动，这占据了宝贵的钻台空间。一些现有技术设备使用延伸系统，但是仍需要轨道。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于使连接器具在钻机上运动的设备，所述设备包括杆和延伸设备，所述延伸设备包括座、至少第一连杆机构、第二连杆机构、第三连杆机构、用于支撑连接器具的支架和布置在所述座和所述第一连杆机构之间的动力驱动延伸设备，其中，在致动所述动力驱动延伸设备时，所述第一连杆机构、所述第二连杆机构和所述第三连杆机构延伸或缩回以使所述支架背离或朝向所述杆运动。可使用多于三个连杆机构，例如四个、五个或六个。
优选地，所述座能随所述杆竖直运动，或者能在所述杆上竖直运动，所述设备还包括升高设备，用于随所述杆或在所述杆上升高所述座。优选地，在所述第一、第二和第三连杆机构的运动过程中，所述连接设备的竖直高度变化不显著。有利地，在所述连杆机构的运动过程中，铁钻工的竖直高度变化不大于正负2厘米(0.75英寸)。
有利地，所述升高设备和所述动力驱动延伸设备同时动作，因而提高了从一个位置到另一个位置(例如从鼠洞到井中心)的运动速度。优选地，所述延伸设备能绕所述杆旋转。有利地，所述连接器具为大钳、旋转器和铁钻工中的至少一种。
优选地，所述第一连杆机构具有能枢转地连接至所述座的第一连杆机构第一端部、和第一连杆机构第二端部；所述第二连杆机构具有能枢转地连接至所述第一连杆机构第二端部的第二连杆机构第一端部、和第二连杆机构第二端部；所述第三连杆机构具有能枢转地连接至所述第二连杆机构第二端部的第三连杆机构第一端部、和能枢转地连接至所述支架的第三连杆机构第二端部。
优选地，所述第一连杆机构包括第一臂和与所述第一臂间隔开的第二臂，所述第一连杆机构的第一臂和第二臂连接至连接部件，以使得所述第一臂、第二臂、连接部件和座形成平行四边形。有利地，所述第二连杆机构包括第一臂和与所述第一臂间隔开的第二臂，所述第二连杆机构的第一臂和第二臂连接至另一连接部件，以使得所述第一臂、第二臂、连接部件和另一连接部件形成平行四边形。优选地，所述第三连杆机构包括第一臂和与所述第一臂间隔开的第二臂，所述第三连杆机构的第一臂和第二臂连接至所述支架，以使得所述第一臂、第二臂、支架和另一连接部件形成平行四边形。
优选地，所述动力驱动延伸设备包括至少一个动力驱动活塞-缸设备。优选地由液压流体驱动，但是可包括储压器或所述流体可以是气体。有利地，所述设备包括两个动力驱动活塞-缸。优选地，所述至少一个动力驱动活塞-缸设备包括壳体、能在所述壳体内运动的内部浮动活塞，延伸穿过所述内部浮动活塞并且能相对于内部浮动活塞运动的活塞轴，所述活塞轴具有两个端部，一个端部连接至轴活塞，另一个端部能运动以延伸，所述内部浮动活塞和所述轴活塞将所述壳体的内部分成第一室、第二室和第三室，所述浮动活塞的位置确定所述活塞轴的最大延伸范围。优选地，所述内部浮动活塞可设置在预设的期望位置，以使得当所述内部浮动活塞与所述轴活塞接触，并且所述轴活塞停止运动时，所述铁钻工处于预选位置处。
有利地，所述活塞轴包括内部通道，流体可从所述壳体外部流经所述内部通道进入第二室。
优选地，所述设备还包括控制系统，所述控制系统包括阀设备，用于按照选择地操作以控制流体流动至所述第一、第二和第三室。所述控制设备可包括平衡阀。
本发明还提供了一种钻机，包括井架、平台、顶部驱动装置及井中心、连接器具和本发明的设备，所述连接器具能相对于用于所述顶部驱动装置支撑轨道的下端部定位，以使得所述延伸系统最上部分在所述支撑轨道的下端部的下面并且与所述支撑轨道的下端部间隔开。优选地，所述升高设备能将所述第一连杆机构的最顶部升高到最高高度，所述最高高度小于与所述延伸系统相邻的顶部驱动装置支撑轨道的底端部的高度。
本发明还提供了一种用于使连接器具在钻机上运动的方法，所述方法包括以下步骤：将所述连接器具连接至延伸设备，所述延伸设备包括布置在杆上的座、至少第一连杆机构、第二连杆机构、第三连杆机构、用于支撑连接器具的支架和布置在所述座和所述第一连杆机构之间的动力驱动延伸设备，所述方法还包括以下步骤：致动所述动力驱动延伸设备，以使所述第一连杆机构、所述第二连杆机构和所述第三连杆机构延伸或缩回，从而使所述连接器具背离或朝向所述杆运动。
优选地，所述方法还包括以下步骤：同时升高所述座和使所述第一、第二和第三连杆机构运动，由此升高所述连接器具并且使所述连接器具背离所述杆运动。有利地，所述方法还包括以下步骤：同时降低所述座和使所述第一、第二和第三连杆机构运动，由此降低所述连接器具并且使所述连接器具朝向所述杆运动。优选地，所述连接器具在所述支架上运动到钻机的井中心。
本发明在一些实施例中公开了一种用于铁钻工的延伸系统，所述铁钻工包括铁钻工支架和所述铁钻工支架上的扭矩扳手和旋转扳手，所述延伸系统具有：杆；在所述杆上的支撑柱体；可动地连接至所述支撑柱体并且可在其上上下运动的座；三个可枢转地相互连接的平行四边形连杆机构结构；连接至所述支撑柱体并且用于相对于所述支撑柱体升高和降低所述座的升高设备；连接至所述座和第一连杆机构结构的动力驱动延伸设备；所述连杆机构可由所述动力延伸设备枢转和运动，以使所述铁钻工支架背离所述支撑柱体延伸和朝向所述支撑柱体缩回所述铁钻工。在某些方面中，这种系统可同时升高且延伸所述铁钻工或下降且缩回所述铁钻工。
在某些方面中，本发明公开了一种用于使铁钻工在钻机上运动的方法，所述方法包括：将所述铁钻工连接至根据本发明的延伸系统；和利用所述延伸系统使所述铁钻工运动。
根据本发明，所述设备结合了沿基本上竖直杆的竖直运动、杆旋转的角运动和使用至少三组连杆机构使连接器具相对于杆水平布置的水平运动。沿杆的竖直运动可利用可沿杆滑动的套管沿带齿轨道在活塞和缸上实现。
本发明还公开了一种用于使连接器具在钻机上运动的设备，所述设备包括杆；和可在基本上竖直的平面中、在所述杆上或随所述杆运动的座；延伸设备，所述延伸设备具有连接至所述座的近端部和连接至用于支撑连接器具的支架的远端部，所述延伸设备用于使所述连接器具在基本上水平平面中运动。优选地，所述座可绕所述杆旋转。
因此，根据本发明，提供了一种用于使连接器具在钻机上运动的系统，所述系统包括杆和延伸设备，所述延伸设备包括座、至少第一连杆机构、第二连杆机构、第三连杆机构、用于支撑连接器具的支架和布置在所述座与所述第一连杆机构之间的动力驱动延伸设备，其中，所述第一连杆机构包括第一连杆机构第一臂和与所述第一连杆机构第一臂间隔开的第一连杆机构第二臂，所述第一连杆机构第一臂和第一连杆机构第二臂连接至第一连接部件，以使得所述第一连杆机构第一臂、第一连杆机构第二臂、所述第一连接部件和座形成平行四边形，所述第二连杆机构包括第二连杆机构第一臂和与所述第二连杆机构第一臂间隔开的第二连杆机构第二臂，所述第二连杆机构第一臂和第二连杆机构第二臂连接至另一连接部件，以使得所述第二连杆机构第一臂、第二连杆机构第二臂、所述第一连接部件和所述另一连接部件形成平行四边形，所述第三连杆机构包括第三连杆机构第一臂和与所述第三连杆机构第一臂间隔开的第三连杆机构第二臂，所述第三连杆机构第一臂和第三连杆机构第二臂连接至所述支架，以使得所述第三连杆机构第一臂、第三连杆机构第二臂、所述支架和所述另一连接部件形成平行四边形，所述系统还包括升高设备，用于随所述杆或在所述杆上升高所述座，其中，在致动时，同时地，利用所述升高设备随所述杆或在所述杆上升高或降低所述座，而且所述动力驱动延伸设备使得所述第一连杆机构、所述第二连杆机构和所述第三连杆机构延伸或缩回，从而使所述支架和所述支架上的连接器具背离或朝向所述杆运动。
可选地，所述延伸设备能绕所述杆旋转。
可选地，所述连接器具为大钳、旋转器和铁钻工中的至少一种。
可选地，所述第一连杆机构具有能枢转地连接至所述座的第一连杆机构第一端部、和第一连杆机构第二端部；所述第二连杆机构具有能枢转地连接至所述第一连杆机构第二端部的第二连杆机构第一端部、和第二连杆机构第二端部；所述第三连杆机构具有能枢转地连接至所述第二连杆机构第二端部的第三连杆机构第一端部、和能枢转地连接至所述支架的第三连杆机构第二端部。
可选地，所述动力驱动延伸设备包括至少一个动力驱动活塞-缸设备。
可选地，在所述第一连杆机构、第二连杆机构和第三连杆机构的运动过程中，所述连接器具的相对竖直高度变化不显著。
可选地，在所述连杆机构的运动过程中，所述连接器具的相对竖直高度变化不大于正负2厘米。
根据本发明，还提供了一种钻机，包括井架、平台、顶部驱动装置及井中心和根据前文所述的系统，所述连接器具能相对于所述顶部驱动装置的支撑轨道的下端部定位，以使得所述系统的最上部分在所述支撑轨道下端部的下面并且与所述支撑轨道的下端部间隔开。
可选地，所述升高设备能将所述第一连杆机构的最顶部升高到最高高度，所述最高高度小于与所述系统相邻的顶部驱动装置支撑轨道的底端部的高度。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在参照附图通过举例的方式进行描述，附图中：
图1A是根据本发明的设备处于延伸位置的透视图；
图1B是图1A所示设备处于缩回位置的侧视图；
图1C是图1A所示设备处于缩回位置的俯视图；
图1D是图1A所示设备的侧视图；
图1E是图1D所示设备的主视图；
图1F是图1D所示设备的俯视图；
图1G是图1D所示设备的侧视图，其中未显示控制面板；
图1H是图1G所示设备的俯视图；
图1I是图1A所示设备处于升高位置的侧视图；
图1J是图1I所示设备的主视图；
图1K是图1I所示设备的俯视图；
图1L是图1A所示设备的透视图，显示了一些被隐藏的部件；
图2是图1A所示设备的一部分在使用中的俯视图；
图3是图1A所示设备的侧视图；
图4A是图1A所示设备处于缩回位置的俯视图；
图4B是图1A所示设备在钻台上使用中的俯视图，其中钻杆处于井中心，所述钻杆在所述设备的一部分内并且由技工控制设备；
图4C是图4B所示设备处于部分延伸位置的俯视图；
图4D是图4B所示设备的俯视图，其中所述设备处于缩回位置并且手动大钳布置在钻杆上；
图5是用于根据本发明的设备中的控制回路和活塞/缸的示意性视图；
图6是图5所示控制回路的活塞/缸的透视图；
图7是图6所示的活塞/缸的侧剖视图。
具体实施方式
图1A显示了一种根据本发明的设备10，所述设备在延伸设备100的远端部上具有铁钻工1。铁钻工1包括旋转器12和可动地安装在支架18上的扳手16。旋转器12可以是任何用于使管旋转以便于连接或分离螺纹管的适当旋转器。扳手16可以是任何用于扭转螺纹管之间的连接以形成连接或用于断开连接的适当扳手。在一个特定方面中，旋转器12与于2008年2月25日提交的美国申请，序列号No.12/072,296(具有与本发明共同的所有人，将其全部内容并入本文，用于所有目的)一样，并且扳手16是美国专利7,313,586(具有与本发明共同的所有人，并且将其全部内容并入本文，用于所有目的)中公开的扭矩扳手。控制面板8控制旋转器12、扳手16和设备100。
图1A所示的延伸设备100具有三个可枢转地相互连接的连杆机构段110、120、130，设置用于使旋转器12扳手16组合延伸和缩回。连杆机构段130连接至支架18。
每一个连杆机构段具有可枢转的上部部件和下部部件，其形成可伸张/可缩回的平行四边形结构。连杆机构110具有下臂113和上臂114。下臂端部可枢转地连接至座141，上臂端部可枢转地连接至连接件160。连接件160包括间隔开的侧板162、164；连接部件165(见图1L)；和横向结构(cross structure)166。臂113均具有可枢转地连接至连接部件165的端部。在运动过程中，臂113平行于臂114运动。
连杆机构120具有带有下臂123的下部部件120l和带有上臂124的上部部件120u(见图1A和1L)。下部部件120l和上部部件120u的两端部可枢转地连接至连接件160，并且臂123、124的两个相对端部均可枢转地连接至连接件170。连杆机构126均具有可枢转地连接至上部部件120u的第一端部和可枢转地连接至连接部件165的第二端部。连杆机构128均具有可枢转地连接至下臂123的第一端部和可枢转地连接至连杆机构130的上臂134的第二端部。
连杆机构130具有横梁130a、下臂133和上臂134。上臂134和下臂133的第一部分可枢转地连接至连接件170。下臂133和上臂134的第二端部可枢转地连接至支架18。
连接件170具有侧板172和横向结构176。
座141具有滚轴144，其设置用于在柱体190的槽196中滚动。柱体190可相对于杆B在支承件R上旋转。装置200(示意性显示)升高和降低座141，并且因而升高和降低设备100。使用任何适当的已知装置200在本发明的范围内，所述装置200可位于柱体190内。在某些方面中，装置200采用举升缸设备，例如美国专利7,249,639中所示的举升缸设备，出于该目的，将所述美国专利的全部内容并入本文。
图1B到1K示出了设备10的各种位置。座141和柱体190相对于杆B旋转。连杆机构110、120、130通过液压缸设备150的延伸活塞杆而运动，所述液压缸设备150连接在支撑柱体190上的座141和下臂113上的连接件之间。可选地，仅使用一个设备150。活塞151可相对于缸152运动，以向上和向外运动从而使延伸设备100延伸，并且向内和向下运动从而使延伸设备缩回。
图1B和1C显示了完全缩回且在柱体190上向下完全下降至钻台RF的延伸设备。臂114与臂113平行；臂124与臂123平行；以及臂134与臂133平行。活塞151没有从其各自的缸152延伸。
图1D到1F显示了通过将活塞151从它们各自的缸152延伸而完全延伸的设备100。上臂保持与下臂平行，延伸设备100相对于钻台RF保持在下降位置中。
图1G和1H显示了处于柱体190上完全升高位置中且完全水平缩回的延伸设备100。上臂保持与下臂平行，并且活塞151保持缩回到其缸152中。
图1I到1K显示了完全延伸且完全升高的延伸设备100。在成对的臂中，上臂与下臂平行，并且活塞151已经延伸以使设备延伸。
在图1B到1F和1G到1I中，若干个高度、长度和距离(用于本发明的某些特定实施例)以英寸和厘米两种测量单位来表示。例如，图1B中，在项“[2647.53]”上方的项“104.23”表示那一点所表示的高度为104.23英寸和2647.53厘米。如图1I所示，高度H为118.82英寸和3018.06厘米(其小于120英寸的高度，在一方面，所述高度为从钻台RF到轨道M(部分显示)的底端部E的距离)，所述轨道M是钻机中的轨道，顶部驱动装置在其上上下运动。
图3显示了一种设备10，其中柱体190安装在地面凹窝193中。图2显示了地面凹窝193在钻机结构RS上的位置。可选地，地面凹窝根据需要设置(例如，参见地面凹窝193a)。钻机设置在井中心WC上方，并且邻近鼠洞MH。
图4A到4D示出了设备10的各种位置。在图4A中，设备处于延伸设备100完全下降并且完全缩回的待用位置中。如图4B所示，延伸设备100延伸以将具有旋转器12和扳手16的设备1(铁钻工1)设置在井中心WC上方。
如图4C所示，设备10在柱体190上旋转以将旋转器12和扳手16设置在鼠洞MH上方。图4D示出了“大钳运动范围(tong sweep)”，即钻台大钳相对于设备100的间隙，并且显示了延伸设备100可缩回以脱离大钳的路径。
使用任何适当的用于使连杆机构110、130运动的已知动力缸设备在本发明的范围内。可选地，如图5到7所示的根据本发明的液压缸系统600可用于缸设备150。
系统600具有四个平衡阀601、602、603、604和两个控制阀611、612。壳体605封装内部浮动活塞606和活塞607，轴608与活塞607连接并且从活塞607处伸出。轴608可在穿过浮动活塞606的孔609内运动。活塞606和607将壳体分成三个室621、622和623。处于压力下的液压流体经由贯穿轴608的通道617流入和流出中间室，即室622。平衡阀602和平衡阀604都可控制通道617中的流动，从而控制室622中的流动和流体压力。控制阀612通过控制平衡阀603、604来控制浮动活塞606。控制阀611控制活塞607的运动。平衡阀601控制处于压力下的液压流体流入和流出室621。平衡阀603控制室623的流动。
浮动活塞606的位置确定活塞607的运动范围，并且因而确定轴608的运动范围。浮动活塞606任一侧上的流体压力确定浮动活塞606的位置。依次地，通过控制浮动活塞606的位置并且由此通过控制活塞607和轴608的可运动范围来控制连杆机构110、120、130的运动。通过控制系统的运动范围，浮动活塞606可设置在预选位置处，以使得当活塞607运动并且运动到其运动边界时，铁钻工1运动到预选位置并且停止在该预选位置处，例如(但是不限于)井中心。
在根据本发明的设备的某些实施例中，设置约3.6米(12英尺)的作用范围。在某些实施例中，旋转器/扳手组合的竖直高度在设备延伸和缩回时变化不显著，例如在某些方面中仅为加或减2cm(0.75英寸)或更少。对于图1A所示的实施例，如果活塞/缸设备发生故障，设备将不会突然延伸或缩回，并且设备将不会降落。
在一些方面中，在具有顶部驱动设备的钻机中，顶部驱动装置在连接至钻机结构的轨道上上下运动。这些轨道具有离钻台上方一定距离的底端部(例如，在一个特定方面，在钻台上方120英寸)。对于类似于具有延伸设备100的设备10的设备，在钻机中向上伸出不远于恰好在这些轨道的底部下面是有利的。根据本发明处于完全升高位置中的一些实施例(例如，如图1A中)在具有轨道的钻机钻台上方小于3m(120英寸)处，所述轨道底部在钻台上方3m(120英寸)处。
因此，本发明在一些实施例和一些方面，但不必是在所有实施例中和所有方面提供了一种用于铁钻工的延伸设备，所述铁钻工具有铁钻工支架和在铁钻工支架上的扭矩扳手和旋转扳手，所述延伸设备包括：杆；所述杆上的支撑柱体；可动地连接至所述支撑柱体并且可在其上上下运动的座；第一连杆机构，具有可枢转地连接至所述座的第一连杆机构第一端部、和第一连杆机构第二端部；第二连杆机构，具有可枢转地连接至第一连杆机构第二端部的第二连杆机构第一端部、和第二连杆机构第二端部；第三连杆机构，具有可枢转地连接至第二连杆机构第二端部的第三连杆机构第一端部、和可枢转地连接至所述铁钻工支架的第三连杆机构第二端部；升高设备，连接至所述支撑柱体，用于相对于所述支撑柱体升高和降低所述座；动力驱动延伸设备，连接至所述座和第一连杆机构；并且所述第一连杆机构、第二连杆机构和第三连杆机构可由所述动力驱动延伸设备枢转和运动，以使所述铁钻工支架背离所述支撑柱体延伸，和使铁钻工朝向所述支撑柱体缩回。这种设备可按照任意可能的组合方式具有下述特征中的一个或一些：每一个连杆机构是具有上部部件和下部部件的平行四边形结构，所述上部部件可平行于所述下部部件运动；在所述第一连杆机构和第二连杆机构之间的第一连接件，所述第一连杆机构的上部部件和所述第二连杆机构的上部部件在其顶部可枢转地连接至所述第一连接件，所述第一连杆机构的下部部件和所述第二连杆机构的下部部件在其底部可枢转地连接至所述第二连接件；在所述第二连杆机构和所述第三连杆机构之间的第二连接件，所述第二连杆机构的上部部件和所述第三连杆机构的上部部件在其顶部可枢转地连接至所述第二连接件，并且所述第二连杆机构的下部部件和所述第三连杆机构的下部部件在其底部可枢转地连接至所述第二连接件；其中，所述升高设备和动力驱动延伸设备可同时动作；其中，所述支撑柱体可相对于所述杆旋转；其中，在所述连杆机构的运动过程中，所述铁钻工的竖直高度变化不显著；其中，在所述连杆机构的运动过程中，所述铁钻工的竖直高度变化不大于正负0.75英寸；其中，用于使所述铁钻工延伸的动力驱动延伸设备是至少一个动力驱动活塞-缸设备；其中，用于使所述铁钻工延伸的动力驱动延伸设备包括两个间隔开的动力驱动活塞-缸设备；其中，所述至少一个动力驱动活塞-缸设备包括壳体，可在所述壳体中运动的内部浮动活塞；延伸穿过所述内部浮动活塞并且可相对于内部浮动活塞运动的轴，所述轴具有两个端部，和在轴一端部上的轴活塞，所述轴活塞可在所述壳体中运动，并且所述轴具有内部通道，流体通过所述内部通道可从所述壳体的外部流入中间室，所述内部浮动活塞和所述轴活塞将所述壳体的内部分成三个室，包括第一端室，中间室，和第二端室，所述轴连接至所述第一连杆机构，并且所述轴活塞和所述轴可通过使流体运动到所述壳体中来定位，以使得所述轴在所述壳体中的位置对应于所述第一连杆机构的位置和所述铁钻工的位置；其中，所述控制系统控制所述轴活塞的位置；其中，所述内部浮动活塞可设置在预定的期望位置，以使得当所述轴活塞接触所述内部浮动活塞并且所述轴活塞停止运动时，所述铁钻工处于预选位置；其中，所述控制系统包括阀设备，所述阀设备可选择操作以控制流体流动至所述轴的内部通道、第一端室和第二端室；其中，所述铁钻工可相对于用于钻机上顶部驱动装置的支撑轨道的下端部设置，以使得所述延伸设备的最上部分在所述支撑轨道的下端部下方并且与所述支撑轨道的下端部间隔开；和/或其中，所述升高设备可将所述第一连杆机构的最顶部升高到最高高度，所述最高高度小于与所述延伸设备相邻的顶部驱动装置支撑轨道的底端部的高度。
因此本发明在一些实施例和一些方面，但是不必是所有实施例和所有方面，提供了一种用于铁钻工的延伸系统，所述铁钻工具有铁钻工支架和在所述铁钻工支架上的扭矩扳手和旋转扳手，所述延伸系统包括：杆；所述杆上的支撑柱体；可动地连接至所述支撑柱体并且可在其上上下运动的座；第一连杆机构，具有可枢转地连接至所述座的第一连杆机构第一端部、和第一连杆机构第二端部；第二连杆机构，具有可枢转地连接至第一连杆机构第二端部的第二连杆机构第一端部、和第二连杆机构第二端部；第三连杆机构，具有可枢转地连接至第二连杆机构第二端部的第三连杆机构第一端部、和可枢转地连接至所述铁钻工支架的第三连杆机构第二端部；升高设备，连接至所述支撑柱体，用于相对于所述支撑柱体升高和降低所述座；动力驱动延伸设备，连接至所述座和第一连杆机构；所述第一连杆机构、第二连杆机构和第三连杆机构可由所述动力驱动延伸设备枢转和运动，以使所述铁钻工支架相对于所述支撑柱体运动；每一个连杆机构包括具有上部部件和下部部件的平行四边形结构；所述第一连杆机构和第二连杆机构之间的第一连接件；所述第一连杆机构的上部部件和所述第二连杆机构的上部部件在其顶部处可枢转地连接至所述第一连接件；所述第一连杆机构的下部部件和所述第二连杆机构的下部部件在其底部处可枢转地连接至第二连接件；在所述第二连杆机构和第三连杆机构之间的第二连接件；所述第二连杆机构的上部部件和所述第三连杆机构的上部部件在其顶部处可枢转地连接至所述第二连接件；所述第二连杆机构的下部部件和所述第三连杆机构的下部部件在其底部处可枢转地连接至所述第二连接件；其中，所述升高设备和动力驱动延伸设备可同时动作；所述支撑柱体可相对于所述杆旋转；其中，在所述连杆机构的运动过程中，所述铁钻工的竖直高度变化不大于正负0.75英寸，并且所述升高设备可将所述第一连杆机构的最顶部升高到最高高度，所述最高高度小于与所述延伸系统相邻的顶部驱动支撑轨道的底端部的高度。
因此，本发明在一些实施例和一些方面，但不必是所有实施例和所有方面提供了一种用于使铁钻工在钻机上运动的方法，所述方法包括：将所述铁钻工连接至延伸系统，所述延伸系统是根据本发明的任一种延伸系统；和通过所述延伸系统使所述铁钻工运动。这种方法可按照任何可能的组合方式包括下述特征中的一个或一些：同时升高所述座并且延伸所述三个连杆机构，由此升高所述铁钻工并且使所述铁钻工运动背离所述座；同时下降所述座并且缩回所述三个连杆机构，由此降低所述铁钻工并且使所述铁钻工朝向所述座运动；将所述第一连杆机构的最顶部升高到最高高度，所述最高高度小于与所述延伸系统相邻的顶部驱动装置支撑轨道的底端部的高度；和/或通过如本文公开的任一种动力驱动活塞-缸设备使所述连杆机构延伸，所述动力驱动活塞-缸设备包括但是不限于图5到7所示的动力驱动活塞-缸设备。
Claims (9)
1.一种用于使连接器具在钻机上运动的系统，所述系统包括杆(190)和延伸设备(100)，所述延伸设备包括座(141)、至少第一连杆机构(110)、第二连杆机构(120)、第三连杆机构(130)、用于支撑连接器具的支架(18)和布置在所述座(141)与所述第一连杆机构(110)之间的动力驱动延伸设备(150)，其中，所述第一连杆机构(110)包括第一连杆机构第一臂(113)和与所述第一连杆机构第一臂(113)间隔开的第一连杆机构第二臂(114)，所述第一连杆机构第一臂和第一连杆机构第二臂连接至第一连接部件(160)，以使得所述第一连杆机构第一臂(113)、第一连杆机构第二臂(114)、所述第一连接部件(160)和座(141)形成平行四边形，所述第二连杆机构(120)包括第二连杆机构第一臂(123)和与所述第二连杆机构第一臂(123)间隔开的第二连杆机构第二臂(124)，所述第二连杆机构第一臂(123)和第二连杆机构第二臂(124)连接至另一连接部件(170)，以使得所述第二连杆机构第一臂(123)、第二连杆机构第二臂(124)、所述第一连接部件(160)和所述另一连接部件(170)形成平行四边形，所述第三连杆机构(130)包括第三连杆机构第一臂(133)和与所述第三连杆机构第一臂(133)间隔开的第三连杆机构第二臂(134)，所述第三连杆机构第一臂(133)和第三连杆机构第二臂(134)连接至所述支架(18)，以使得所述第三连杆机构第一臂(133)、第三连杆机构第二臂(134)、所述支架(18)和所述另一连接部件(170)形成平行四边形，所述系统还包括升高设备(200)，用于随所述杆(190)或在所述杆(190)上升高所述座(141)，其中，在致动时，同时地，利用所述升高设备(200)随所述杆(190)或在所述杆上升高或降低所述座(141)，而且所述动力驱动延伸设备(150)使得所述第一连杆机构(110)、所述第二连杆机构(120)和所述第三连杆机构(130)延伸或缩回，从而使所述支架(18)和所述支架上的连接器具(1)背离或朝向所述杆(190)运动。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述延伸设备(100)能绕所述杆(190)旋转。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述连接器具为大钳、旋转器和铁钻工中的至少一种。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述第一连杆机构(110)具有能枢转地连接至所述座(141)的第一连杆机构第一端部、和第一连杆机构第二端部；所述第二连杆机构(120)具有能枢转地连接至所述第一连杆机构第二端部的第二连杆机构第一端部、和第二连杆机构第二端部；所述第三连杆机构(130)具有能枢转地连接至所述第二连杆机构第二端部的第三连杆机构第一端部、和能枢转地连接至所述支架(18)的第三连杆机构第二端部。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述动力驱动延伸设备(150)包括至少一个动力驱动活塞-缸设备。
6.根据权利要求1或2所述的系统，其中，在所述第一连杆机构、第二连杆机构和第三连杆机构的运动过程中，所述连接器具的相对竖直高度变化不显著。
7.根据权利要求1或2所述的系统，其中，在所述连杆机构的运动过程中，所述连接器具的相对竖直高度变化不大于正负2厘米。
8.一种钻机，包括井架、平台、顶部驱动装置及井中心和根据前述任一项权利要求所述的系统，所述连接器具(1)能相对于所述顶部驱动装置的支撑轨道的下端部定位，以使得所述系统的最上部分在所述支撑轨道下端部的下面并且与所述支撑轨道的下端部间隔开。
9.根据权利要求8所述的钻机，其中，所述升高设备(200)能将所述第一连杆机构的最顶部升高到最高高度，所述最高高度小于与所述系统相邻的顶部驱动装置支撑轨道的底端部的高度。
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