CN104024560B - 基于重量的联锁设备和方法 - Google Patents

Abstract

描述了一种基于重量的管件联锁设备，该设备适于确定管件是否由基于钻机的起重装置或辅助夹持装置以接合方式夹持。该联锁系统适于测量夹持机构中的至少一个上的管件负载并适于将该管件负载与预定负载进行比较以确定该至少一个夹持机构是否正夹持管件。该夹持机构适于仅当管件负载满足预定负载时才释放管件，在管件负载满足预定负载时，就相对于夹持机构将足以将管件从夹持机构释放的释放力施加到管件。还描述了使用联锁设备的方法。

Description

基于重量的联锁设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于确保管件接头或管柱由基于钻机的起重装置和夹持装置中的至少一个夹持的设备和方法。更具体地，本发明涉及一种联锁系统，所述联锁系统仅在夹持机构上的管件负载满足基于重量的预定负载时并仅在施加释放力之后释放管件接头或管柱。

背景技术

在套管下送或上扣/卸扣操作(makeup/breakout)期间，顶驱和钻机平台装置必须一前一后地工作以确保安全的套管下送，即，在套管组装或拆卸期间的任何给定时间，顶驱和钻机平台装置中的至少一个必须接合并夹持管件和管柱。通常，位于钻机平台上的操作员通过用手插入或移除卡瓦或利用控制到卡瓦的流体动力的手动操作杠杆来控制顶驱和平台装置，所述卡瓦促使顶驱和平台装置保持管件。在任何给定的时间，操作员能够由于执行错误操作(即，移动错误的杠杆或不正确地读取控制、夹持装置的不正确安装等)而意外地使管件掉下。能够在钻井操作中导致重大损害和延迟。尝试通过使用附加的联锁系统(参见例如，美国专利6,742,596；7,073,598；和美国公布2008/0264648)来提高安全性方面，但是由于诸如来自不正确地保持管件的重量的常规联锁系统或卡齿的不准确信号的一种或多种原因，这些尝试是有缺陷的。

因此，存在对适于与顶驱和平台装置一起使用以防止管件的意外释放的联锁系统的需要。因此，存在对防止顶驱和平台装置在管件或管柱未被夹持时脱开管件或管柱的联锁系统的需要。

发明内容

本发明涉及一种基于重量的管件联锁设备，该设备适于确定管件是否由基于钻机的起重装置或夹持装置以接合方式夹持。该设备包括：夹持机构，该夹持机构与起重装置或钻机平台装置以可操作方式相联，该夹持机构适于夹持管件从而支撑其重量；以可操作方式连接到所述夹持机构的联锁系统，该联锁系统适于测量夹持机构上的实际管件负载并将管件负载与预定负载进行比较以确定夹持机构是否正夹持管件。夹持机构适于仅在实际管件负载减小到预定负载以下时释放管件。优选地，该设备因此进一步适于施加足以将管件从夹持机构释放的释放力。在一个实施例中，该释放力相对于夹持机构能够为至少大致，并且更优选地完全在管件的轴向上。在一个实施例中，释放力至少大致，并且选地完全与管件负载相反。

在一个实施例中，该设备还包括至少一个平衡机构，诸如平衡缸，该平衡机构适于提供管件相对于基于钻机的起重装置的渐增移动，该渐增移动优选是至少大致轴向的，并且更优选是完全轴向的。优选地，该至少一个平衡机构或缸包括液压缸。该至少一个平衡缸能够提供释放力或释放力的一部分。然而，优选地，平衡缸测量管件负载以看一至五个管件是否被夹持，或如果整个管柱被夹持，则测量被夹持的管件负载的存在，或通过缸的位置间接地测量管件负载的存在。

在另一个实施例中，控制器测量实际负载并计算足够的释放力。该释放力小于释放实际负载所需的力，但是足以释放预定负载。

一般地，当至少第二夹持机构以接合方式夹持管件并承载其实际负载的至少大部分时，满足预定负载的条件。当第一夹持机构与基于钻机的起重装置以可操作方式相联时，第二夹持机构优选与钻机平台装置以可操作方式相联。

在示例性实施例中，联锁系统与夹持机构和第二夹持机构以电子方式相联，并且适于在释放夹持机构和第二夹持机构中的一个之前确认实际管件负载由夹持机构和第二夹持机构中的至少另一个以接合方式夹持。

夹持机构上的实际负载可以完全是轴向负载。在另一个实施例中，当管件负载落入用以确认管件由第二夹持机构夹持的容许负载范围内时，管件负载满足预定负载。

在最优选的实施例中，联锁系统与夹持机构一体地形成，使得不需要传感器和其它外部装置。还描述包括本发明的联锁设备的钻机。

本发明进一步涉及一种确保管件由基于钻机的起重装置或夹持装置以接合方式夹持的方法。该方法包括：利用与(例如，在CRT和/或钻机平台装置中的)基于钻机的起重装置以可操作方式相联的夹持机构来夹持管件，所述夹持机构适于夹持管件从而支撑其重量；测量夹持机构上的实际管件负载；将管件负载与预定负载进行比较；如果有效管件负载不大于预定负载，则释放夹持机构对管件的接合夹持。在一个实施例中，该方法进一步包括：相对于夹持机构向施加到管件释放力。在另一个实施例中，负载是轴向负载。在又一实施例中，释放力可以包括轴向分量。

优选地，该方法包括：计算释放实际负载所需的释放力。该方法通常包括：将释放力设定成小于释放实际负载所需的力。在一个实施例中，将释放力设定成释放实际负载所需的力的约5％至约60％，使得能够在负载充分地下降时施加释放力以从夹持机构释放管件。

能够以多种不同的方式施加释放力。例如，将释放力在向下方向(即，与管件负载相反)施加到管件，在向下方向上施加到夹持机构(优选地同时将管件固定在适当的位置)，或两者。

一般地，第二夹持机构充分地夹持管件，使得夹持机构上的负载不大于预定负载。夹持机构上的负载可以通过任何适当的方法来测量。例如，能够通过以可操作方式连接到夹持机构的负载传感器、至少一个平衡缸的位置、至少一个平衡缸上的测量的或计算的力或其任何组合来测量夹持机构上的负载。

本发明进一步涉及一种禁止或防止在钻机的操作期间管件的非期望的释放的方法。该方法包括：利用与基于钻机的起重装置以可操作方式相联的第一夹持机构来夹持管件；测量第一夹持机构上的实际负载；计算释放实际负载所需的力；将释放力设定成小于释放实际负载所需的力；以及相对于夹持机构将释放力施加到管件，不释放负载，除非第二夹持机构充分地夹持负载。

优选地，第二夹持机构与钻机平台装置以可操作方式相联，并且当夹持管件负载时，该第二夹持机构减小所述第一夹持机构上的负载，使得能够施加释放力以将管件从第一夹持机构释放。在一个实施例中，将释放力设定成释放实际负载所需的力的约10％至约90％，使得能够在负载充分地下降时施加释放力以从第一夹持机构释放管件。通常，将释放力在向上方向上施加到管件，在向下方向上施加到夹持机构，或两者。在另一个实施例中，释放力可以是径向向内或向外的，优选地与管件负载的方向相反。

在一个实施例中，该方法进一步包括：利用第二夹持机构充分地夹持管件，使得第一夹持机构上的负载不大于预定负载。

最后，本发明涉及一种钻凿设备，该钻凿设备包括：基于钻机的起重装置，第一夹持机构与该基于钻机的起重装置以可操作方式相联；与钻机平台以可操作方式相联的第二夹持机构；以及联锁系统，该联锁系统与第一夹持机构和第二夹持机构一体地形成，该联锁系统适于在释放第一夹持机构和第二夹持机构中的一个之前确认管件的实际负载由第一夹持机构和第二夹持机构中的至少另一个以接合方式夹持。第一夹持机构和第二夹持机构适于仅当实际负载满足预定负载时才释放管件，在负载满足预定负载时，相对于夹持机构将足以将管件从第一夹持机构或第二夹持机构释放的释放力施加到管件。在各种优选实施例中，释放力至少大致地或优选地完全轴向地施加；至少大致地或优选地完全径向地施加；或在包括径向分量和轴向分量两者的运动中以其组合方式施加。

在一个实施例中，至少一个平衡缸测量第一夹持机构上的负载。在另一个实施例中，释放力小于释放实际负载所需的力，但是足以释放预定负载。

本发明进一步包含一种通过如下步骤禁止或防止管件在钻机操作期间释放方法：利用与基于钻机的起重装置以可操作方式相联的第一夹持机构来夹持管件，测量与其以可操作方式相联的第二夹持机构上的实际负载以确定管件是否被夹持以及施加足以将管件从第一夹持机构释放的释放力，其中，除非第二夹持机构正夹持负载，否则不释放负载。在一个实施例中，将测量的实际负载与预设值进行比较以确认第二夹持机构正夹持管件。在另一个实施例中，该方法进一步包括：测量第一夹持机构上的实际负载；以及在施加释放力之前，比较第一夹持机构和第二夹持机构上的测量的实际负载以确定管件正由第二夹持机构充分地夹持。

附图说明

结合附图阅读以下详细描述将最好地理解本公开。应强调的是，根据在工业中的标准实践，不按比例绘制各种特征。事实上，为了讨论的清晰，可以随意增大或缩小各种特征的尺寸。

图1是根据本公开的一个或更多个方面的基于重量的管件联锁设备的优选实施例的图示；

图2A-2D示意根据本公开的一个或更多个方面的管件上扣处理中的步骤；并且

图3示意其中控制器从传感器接收信号并将信号传输到夹持器的示意图。

具体实施方式

本发明最小化人为误差，并提供最小化或防止管件在井眼中的意外丢失以及会在这样的情况下发生的人员和环境伤害的方法和设备。本文描述的设备和方法帮助确保基于钻机的起重装置或夹持装置在夹持被其它夹持装置释放之前正夹持管件，并且这优选地通过作为附加安全机制的相对于管件在特定方向上所需的额外的释放力来实现。特别地，根据本文描述的发明施加的释放力从不大到足以释放实际负载，除非已经确定另一个夹持装置夹持了实际负载的绝大部分或全部，例如检测到负载被从一个夹持机构传递到另一个夹持机构。因此，甚至还能够在另一个夹持装置已经夹持管件负载之前施加释放力，这是因为在其它夹持装置被确认已经夹持实际负载的绝大部分或全部之前，管件负载将不释放。基于钻机的起重装置也包括夹持装置，该夹持装置能够与另一夹持装置相同或不同。虽然根据本发明可以使用任何基于钻机的起重装置，诸如滑轮绞车或顶驱，但是本文仅将顶驱参考为适当的基于钻机的起重装置的示例。本发明的特定实施例不需要外部联锁设备，诸如附接到夹持组件的传感器，而是替而使用管件的重量来向控制器发送管件被适当地夹持的信号。这样的实施例有利地能够允许本联锁设备与钻凿器械、或用于形成钻孔或支撑钻孔的套管下送工具器械一体地形成。

如本文所使用的，“管件”可以包括单个管件或具有多于一个管件的管柱。为了清晰，“管件”包括单个管件接头，两个到五个的多个管件接头，或多于五个接头的管柱。示例性管件包括如本领域的普通技术人员熟知的套管、钻管、管道和其它井眼管件。

本申请典型地描述沿一个方向传递管件负载，但是应理解的是，本文描述的联锁系统和方法同样还适用于相反的钻井器械操作。因此，能够沿相反的方向传递管件负载，这将通常需要与本文描述的相反的移动，并且本领域的普通技术人员将很好地理解这些移动。

图1示出适于套管下送和钻凿操作的钻机10。钻机10包括钻机平台20和穿过钻机平台20的井眼30，井眼30的中央被命名为钻井中央。钻机平台夹持装置40(在钻机平台处或与邻近钻机平台)设置在井眼30周围或在井眼30内以在套管下送或钻凿操作的各个阶段以夹持方式接合管柱80。

钻机10包括定位在钻机平台20上方的顶驱60。在一个实施例中，游动滑车将顶驱60保持在钻机平台20上方，并且可以致使顶驱60轴向移动。在工业中用于在操作期间操纵顶驱的其它技术和器械是众所周知的，并且也可以使用用于操纵顶驱的任何其它这样的适当技术或装置。顶驱60包括马达，该马达用于在操作的各个阶段(诸如在利用钻管或套管进行钻凿期间，或者在对钻管进行上扣或卸扣或套管连接等时)使管件50旋转。

管件夹持机构70以可操作方式连接到顶驱60，并且通常作为布置在顶驱下方的套管下送工具的部分或与该套管下送工具相联直接或以连接方式设置在顶驱下方。因此，夹持机构70或平台夹持装置40可以包括套管下送工具、升降机、扳手头、或诸如卡瓦或楔型物或夹持管件的任何其它方法的夹紧系统，或作为其部分。夹持机构70用来夹持管件50的上部并将扭矩从顶驱60传递到管件50。在一个优选实施例中，夹持机构70和平台夹持装置40各自为包括美国专利7,445,050和7,552,764和美国公布2009/0321064和2011/0147010中描述的一个或更多个特征的装置，每个专利文件的全部内容在此通过明确引用并入本文。另一个示例性夹持组件能够包括两个半月形夹具，所述两个半月形夹具朝彼此取向并向内取向到管件的外表面以夹持管件，其中类似于一对井喷防护装置柱塞那样(但实际不修改管件形状并以可释放的方式)施加压力。又一个示例性夹持组件可以包括从管件内侧朝向管件的两个或更多个内表面向外取向并利用可释放地施加的力来导致管件的夹持的夹持组件。应理解的是，本领域的普通技术人员可以选择各自包括一个或更多个夹持部件的任何适当的夹持器或夹持装置以与本文描述的联锁设备相联地使用。

为了将管件50上扣到管柱80，可以操作顶驱60提供扭矩以使管件50相对于由平台夹持装置40保持的管柱80旋转并使管件50和管柱80螺纹接合。在将管件50连接到管柱80之后，可以使用本文描述的基于重量的联锁系统和方法从平台夹持装置40释放管柱80。

因此，在螺接之后，优选使夹持机构70上升以传递来自平台夹持装置40的管件负载。一旦整个管柱负载由夹持机构70夹持，就可以通过顶驱60或以可操作方式连接的装置诸如套管下送工具(未示出)使管柱旋转或轴向移动以进一步钻凿井眼、下送套管、或其它期望操作。管柱负载然后沿着被添加到管柱80的管件50的长度的绝大部分下降到井眼30中，然后操作平台夹持装置40来夹持管柱负载。一旦根据本发明的联锁系统确认平台夹持装置40的适当的接合，即，足够的负载从夹持机构70传递到平台夹持装置40，夹持机构70就释放管柱负载，使得顶驱60和以可操作方式连接的装置(未示出)能够上升或者被操纵以便进行进一步操作。

为了确保每时每刻夹持机构70或平台夹持装置40中的至少一个夹持管件，设置联锁系统。该联锁系统在套管下送、钻凿、移除套管、或任何其它类似的油田操作过程中的不同点在释放夹持机构70或底板夹持装置40之前部分地使用管件重量来确定是否是安全的。联锁系统仅在夹持机构70或底板夹持装置40中的至少一个上的管件负载满足预定负载时才释放夹持。在一个实施例中，测量的(或可替代地在全部实例中，根据测量值计算的)管件负载不得大于让任一夹持器释放的预定负载，这指示待被释放的夹持器上的负载由其它夹持器保持。在另一个实施例中，负载必须至少为预定负载以指示被认为接合管件的夹持器上的负载大于初始负载。用于称量管件负载的方法和装置不是关键的，并且可以使用本领域的普通技术人员已知的任何适当的直接或间接机构。例如，在夹持机构70或平台夹持装置40处的负载传感器可以将负载数据发送到控制器，或当需要时，可以替代地依赖于在夹持机构70或平台夹持装置40与它们的以可操作方式连接的装置之间的负载传感器来确定管件负载。另一个示例是在一组卡瓦中的一个或更多个卡瓦的底部处用来测量卡瓦上的重量的煎饼式(pancake-style)负载传感器。在一个实施例中，优选使用直接重量测量，诸如负载传感器，因为这种重量测量比取决于各种因素的间接测量简单。

在本发明的一个方面中，至少一个夹持装置(即，主夹持装置)具有测量实际负载的能力，并且至少一个另外的夹持装置(即，从夹持装置)从属于该能够进行测量的装置。因此，从装置能够从主装置接收释放力的大小和释放的命令，或纯粹充当不测量重量的装置。从装置能够只接收实际负载的测量值的副本，这能够加速操作并最小化对让每个夹持设备包括负载测量设备的需要，并且在一个实施例中，甚至避免在从装置处对另外的控制器的需要。类似的实施例包括使一个负载传感器适于控制两个或更多个夹持装置，所述一个负载传感器以可操作方式连接到控制器并促进重量或管件负载在夹持机构之间的传递。

在本发明的联锁系统和设备的另一个替代布置中，两个负载传感器可以各自独立地控制夹持机构，类似于以可操作方式连接以用作彼此的双重检查机构的两个独立联锁装置。例如，负载传感器测量管柱，并且如果重量被检测为减小，则我们知道其它东西分担了重量并且重量被传递到其它地方。负载传感器能够在钻机平台装置或顶驱中，但是在一些情况下优选在顶驱中，这是因为相联电子装置的更准确的控制。

通常，控制器将预定负载与实际管件负载进行比较，并且确定管件负载是否在释放夹持机构或装置的容许值内。如果不在，则夹持机构70或平台夹持装置40保持锁定和关闭，并且控制器可以诸如通过将信号发送到操作员来发动补救行动。如果负载和预定负载值是容许的，则控制器将夹持机构70或平台夹持装置40锁定在接合位置中。因此，仅在夹持机构70或平台夹持装置40中的至少一个保持并夹持管件时实现预定负载。管件总是被接合，被夹持机构70或被平台夹持装置40接合。

在一个实施例中，预定负载包含确认管件被夹持的容许负载的范围。例如，预定负载可以是管件的全部负载的约1％至约30％，优选地约3％至约20％，并且更优选地约5％至约15％。可替代地，预定负载可以大于初始负载以表示夹持器接合更长的管件并且因此接合较重的负载。

为了促进对管柱的增强的操纵控制，并且作为安全措施，联锁设备和系统优选被构造成使得必须在管件与夹持机构70或平台夹持装置40任一者或两者之间相对地施加释放力以释放管件上的夹持。在一个实施例中，沿轴向方向施加释放力，而在另一个实施例中，沿径向方向施加释放力，并且在又一个实施例中，沿轴向和径向这两个方向施加释放力。关于“轴向”，优选意味至少大致或完全沿管件的长度方向。

释放力可以以各种方式施加，包括沿向上或向下方向施加到管件，相对于管件沿向下或向上方向施加到夹持机构70或平台夹持装置40，或同时施加在管件和夹持机构或装置两者上，或径向向内或向外地施加，或以轴向和径向的组合的方式施加。在其中释放力是轴向的实施例中，例如，可以诸如通过外部装置或通过提升平台夹持装置40而将提升力施加到管件，或可替代地，可以使夹持机构70相对于管柱100下降(如图2所示以及下文进一步讨论的)，该管柱100通常相对于平台夹持装置40保持至少大致固定在适当位置。也可以使顶驱60、与夹持机构70或顶驱60以可操作方式相联的任何装置、或其任何组合随夹持机构70一起下降。可替代地，顶驱60可以使夹持机构70下降并同时提升管件比夹持机构70下降的相对更大的量以确保管件从夹持机构70释放和分离。在一个实施例中，平衡缸90在管件上提供向上释放力。在一个实施例中，释放力仅具有轴向分量而没有径向分量，而在另一个实施例中，释放力仅具有径向分量而没有轴向分量。应理解的是，释放力可以在一个方向(例如，轴向、径向或两者)上，但是因此产生的移动可以在不同的方向上。例如，一个或更多个斜面、弹簧、液压力或液压缸、或其它相当的装置、或其任何组合可以将轴向力转换成释放力，该释放力导致设备的一部分诸如夹持设备或管件的轴向和径向移动以间接地影响夹持设备。

在另一个实施例中，对于具有特定重量的管件接头，用容许释放力对控制器进行预编程。控制器将释放力设定在比在管件完全由夹持机构70或平台夹持装置40保持的情况下释放管件所需的力更低的水平。因此，比如，夹持机构70的夹持将不被释放，除非且直至平台夹持装置40夹持管件为止，在那时，负载和释放在夹持机构70处的实际负载(也称为“测量负载”)所需的力下降到不超过借助由平台夹持装置40保持的大致所有或所有管件重量施加的释放力。通常将释放力设定成释放全部管件负载所需的力的约10％至约90％，优选地约20％至约80％，并且更优选地全部管件负载的约30％至约70％，使得当例如支撑绝大部分或所有负载的第二夹持机构使负载充分地下降时，可以施加释放力以从夹持机构释放管件。说到“大部分”，通常意味负载的至少一半或者充分的量，其中，如果另一夹持装置释放管件或管柱，则第二夹持机构将捕捉被传递的所有负载，由此承受额外的负载以防止掉落的管件或管柱。虽然可以使用90％以上的释放力，但是必须小心，因为诸如计算误差或测量不准的问题可能导致在另一夹持装置保持充分的实际管件负载之前释放。类似地，可以使用10％以下的释放力，但是必须小心避免摩擦、计算误差、测量误差、或类似的问题，使得装置在无外部干涉的情况下将决不释放管件。

为了清晰，阐述示例性实施例。对于重1000磅的管柱，假定需要200磅/平方英寸的预定负载来释放夹持器。可以通过液压装置诸如泵或活塞来施加该预定负载，因此能够基于给定的管件和泵/活塞装置的其它变量以磅/平方英寸或磅来计算预定负载。因此，能够将释放力设定成例如50磅/平方英寸、100磅/平方英寸、150磅/平方英寸或低于预定负载的不可忽略且有意义的一些其它值。因此，如果操作员在全部1000磅保持在夹持器上时意外地推动释放按钮，则释放力将不足以释放夹持器。因此，联锁系统和设备优选适于废除由操作员命令的释放。然而，当第二夹持机构正确地夹持管件时，第一夹持器释放管件重量的绝大部分并且其不再保持全部的1000磅，因此所施加的100磅/平方英寸的释放力通常非常足以释放第一夹持器的夹持(即，负载从第一夹持器传递到第二夹持机构)。第一和第二夹持机构可以被独立地选择为在钻机平台中或以可操作方式连接到顶驱，例如，作为套管下送工具、管件升降机、管件卡瓦等的部分，并且通常一个在钻机平台中并且另一个以可操作方式连接到顶驱。在一个实施例中，联锁系统测量在第二夹持机构而非第一夹持机构处的管件负载，并与钻机平台以可操作方式相联。在本发明的钻凿设备、系统和方法中还可以包括另外的夹持机构，诸如具有以可操作方式连接到顶驱或钻机平台的两个、三个、四个、或更多个夹持设备。

控制器可以包括能够与存储器、大容量存储装置、输入控制单元和显示单元一起操作的可编程中央处理单元。另外，控制器可以包括众所周知的辅助电路，诸如电源、时钟、缓存、输入输出电路等。控制器适于从其它装置接收数据并适于控制与其连接的装置。示例性控制器是被构造成从顶驱和钻机平台设备接收关于夹持机构参数诸如管件负载、旋转和其它操作信息等的数据的计算机。当然，所述数据能够是以原始数据的形式，诸如以磅/平方英寸表示的平衡活塞压力，其能够被转换为以磅为单位的管件负载，以用于其它计算、显示等。说到术语“控制器”，应理解的是，其能够为单个装置或多个装置，所述多个装置以可操作方式关联以交换信息，以便有效地用作用于进行本文描述的联锁功能的目的的统一控制器。另外，可以使用多个互连控制器，使得一个可以充当对另一个的测量的验证检查，这能够帮助发现不正确的读数或有故障的测量装置。

在一个实施例中，在(管件接头到管柱的)上扣期间，平衡缸90被激活以补偿由于螺纹接合而引起的轴向距离的改变。在上扣发生时，平衡缸被向下拉动以允许顶驱和管柱保持在固定位置中。示例性缸90是活塞和缸组件。活塞和缸组件可以是以液压方式、气动方式、或通过本领域的普通技术人员已知的任何其它方式致动的。

缸90为夹持机构70提供渐增轴向移动，使得连接的管件接头保持被牢固地夹持。还可以利用缸90收集关于夹持机构70上的管件负载的另外的信息。缸90能够被构造成帮助测量负载和预定负载。缸90优选地为加压液压缸，使得在管段和夹持机构在上扣期间被向下拉动时施加到缸的压力与管件的重量成比例。管件的重量越大，缸90上的压力成比例地越大，随后可以使用缸90上的压力来计算管件的重量。

还能够例如通过确定缸90的位置，并且具体地，确定它们的位置的改变来测量管件负载。当不支承管件负载时，平衡缸处于中性位置，通常是顶部和底部之间的中间位置。一旦管件被夹持，平衡缸90将下滑到底部(即，伸出)，并且基于管件重量的缸90的下部的(相对于上部的)位置移位的速度可以被测量并被用来间接计算管件的重量。因此，如果平衡缸下落(或伸出)，则存在实际管件负载；如果缸上升(或缩回)，则实际管件负载已经减小。随后，平衡缸位置或相联的传感器能够向控制器提供输入以指示重量已经被传递以及沿哪个方向。这能够独立于管件重量的基于位置的确定而使用，或除这样的基于位置的确定之外另外地使用，以提供偏差校验。控制器能够替代地或另外地测量施加到液压流体或其它机构以便即使有增加的重量也将保持平衡在相同位置所需的额外的压力，并且压力的变化能够被测量并被用来计算成比例的负载。另外，能够施加压力以抵抗实际管件负载使至少一个平衡缸平衡以禁止或防止缸完全延伸以补偿被夹持的实际管件负载的重量，并且通过基于所施加的压力来计算重量而确定实际负载。因此，在这些实施例中，不需要传感器或外部器械来让本发明的联锁系统运行。因此，虽然是间接的基于重量的测量，但是基于位置的测量也可以被认为是基于重量的系统。还能够构想并且本发明包括作为间接的基于重量的系统的其它基于位置的系统。

现在将更详细地描述优选的操作方法。平台夹持装置40最初保持管柱80。参照图2A，在顶驱60将管件50螺接到管柱80之前，缸90在管件50上施加轻微的向上力以几乎或实际上匹配管件的重量，以禁止或防止管件50在下降时撞倒在管柱80的顶部上并损坏管柱80的顶部处的螺纹。顶驱旋转并缓慢地下降，直至待被螺接到管柱上的管件的端部与管柱的上端形成接触为止。顶驱然后旋转以使管件50和管柱80螺纹接合。参照图2B，一旦形成连接，顶驱(或缸，或两者)能够稍微向上(未示出)移动以确保一个夹持装置支撑件管柱重量。在该实施例中，向上移动(未示出)促进重量传递到与顶驱以可操作方式相联的夹持装置。同样地，当将管件重量传递到平台夹持装置时，在平台装置能够以接合方式夹持以从顶驱夹持装置释放重量之前，优选稍微降低管柱。在任一情形中，该轻微的移动可以近似约0.1mm至约100cm，只要其足以传递实际管件负载的夹持接合即可。

管柱100的全部负载现在由夹持机构70保持。平台夹持装置40现在能够从管柱100脱离。在一优选实施例中，能够应用本发明的联锁系统来确保夹持机构70在平台夹持装置40被释放之前保持管柱100，如上文所提及。然后，缸90能够适于测量实际负载存在于夹持机构70上，并且该数据优选地被发送到控制器。控制器将释放夹持机构所需的(例如，基于预定负载的)释放力设定在比释放所测量的(例如，实际的)负载所需的释放力小的水平。这样做是出于安全原因，例如，使得即使在平台夹持装置40夹持管柱100之前操作员意外地推动释放按钮，管柱100也将保持由夹持机构70夹持。这是因为即使施加了释放力，也将不会发生释放，因为不足以实际上释放夹持装置，除非足量的实际负载被转移到至少一个另外的夹持装置并由该至少一个另外的夹持装置承载。顶驱60将管柱100下降到井眼中并通过脱离的平台夹持装置40。在管柱100的顶部处，平台夹持装置40重新接合管柱100。一旦平台夹持装置40已经充分地保持住管柱100，就沿着长度轴向地、径向向内或向外地、或以上述两种方式将释放力施加到其它夹持机构70，施加到管柱100。这将管件负载从顶驱60传递到平台夹持装置40。

在一个优选实施例中，如在图2C中看到的，在管柱100还在由平台夹持装置40固定的同时，向夹持机构70施加向下力。如果夹持机构未夹持，则通常不施加释放力，并且不发生夹持机构70的释放。当管柱100由另一个夹持装置诸如平台夹持装置40正确地保持时，释放力释放管柱100与夹持机构70的接合，如在图2D中所看到的，然后，可以使顶驱60和夹持机构70上升，并重复该过程，或能够协调顶驱和夹持机构70的任何其它适当的移动以促进循环直至处理将另一个管件段连结到管柱100。应理解的是，就相反的卸扣程序而言，诸如当将管件从管柱移除时，该联锁设备也将起作用，并且实现该相反卸扣功能的设备、系统和方法也被包括在本文描述的发明的范围和精神内。

图3描绘其中控制器200接收来自基于重量的传感器202或基于位置的传感器205中的至少一个的信号的实施例。该实施例的基于位置的传感器205通过确定整个设备是否由于管件负载所施加的重量而已经移动来间接地检测重量。这可以是夹持装置位置传感器207、平衡缸位置传感器210或两者。控制器200处理来自这些源中的一个或更多个的信息，计算释放力并将由至少一个传感器202、205测量的实际管件负载与预定负载进行比较，并且当满足条件时，控制器能够被构造成传递重量并释放将重量传递到另一个夹持部件的夹持部件。因此，控制器能够被构造成(1)自动地发出命令以在第一夹持装置40和第二夹持机构70之间传递重量，然后仅在管件负载已经下降到不大于预定负载之后施加释放力以释放第一夹持部件；(2)在重量从一处传递到另一处通过来自传感器的输入信号中的一个检测到之前，即使当操作员发送释放命令215时，也不向第一夹持装置40或第二夹持机构70中的任一者施加释放力；或(3)两者。

在另一个实施例中，夹持装置自身可以是可移动的，并且一体的或另外的传感器部件能够检测夹持装置自身的位置。因此，当夹持器不保持管件时，其将处于中性位置。当其实际上被接合并夹持(即，保持管件的充分重量，使得系统能够确定管件将被保持)时，夹持装置将处于第二位置中，由于管件的重量，该第二位置通常比第一位置低。当然，通过诸如液压缸、增强器等的动力设备，重量能够被布置成致使夹持装置在夹持重量时上升。无论以哪种方式，夹持装置的位置的变化能够用来测量并至少间接地检测管件的充分的重量已经被夹持，然后本文描述的联锁系统能够脱离至少第二夹持装置。

在一个实施例中，该方法包括：仅在管件负载已经从夹持机构充分地传递到第二夹持机构之后施加释放力。在另一个实施例中，在检测到负载传递之后施加全部释放力，而非仅施加设计成仅超过预定释放力的量的减小的释放力。在一个实施例中，本发明包含与夹持机构是否与管件接合的检测无关地直接或间接检测实际管件负载的联锁系统、设备和方法。

如本文使用的术语“约”一般应被理解为是指数字范围中的两个数字。此外，本文的所有数值范围应被理解为包括该范围内的每个整数。

如本文使用的每个术语“正夹持(gripping)”、“夹持(grip)”或“被夹持(gripped)”意味接受并保持实际负载的至少绝大部分或全部。

虽然在前述说明书中已经描述了本发明的优选实施例，但是应理解的是，本发明不限于本文公开的特定实施例，而是能够由本领域的普通技术人员中的一个作出若干变型。应理解的是，在不偏离由本发明公开和教示的方法和装置的情况下，所使用的材料和机械细节可以稍微不同于本文的说明书或根据本文的说明书变型。

Claims (31)

1.一种基于重量的管件联锁设备，所述设备适于确定管件是否被基于钻机的起重装置或夹持装置以接合方式夹持，所述设备包括：

夹持机构，所述夹持机构与基于钻机的起重装置或夹持装置以可操作方式相联，所述夹持机构适于夹持所述管件从而支撑所述管件的重量；和

以可操作方式连接到所述夹持机构的联锁系统，所述联锁系统适于测量所述夹持机构上的实际管件负载，适于存储当被满足时提供确认所述夹持机构正夹持所述管件的预定负载，并适于将所述管件负载与所述预定负载进行比较，以确定所述夹持机构是否正夹持所述管件，所述联锁系统适于计算基于且小于所述预定负载的足够的释放力，所述足够的释放力是当被满足时打开所述夹持机构以释放所述管件的力，

其中所述联锁系统适于在所述实际管件负载大于所述预定负载的同时对所述夹持机构施加所述释放力，所述夹持机构适于仅当所述实际管件负载被减小到所述预定负载以下时才释放所述管件。

2.根据权利要求1所述的设备，所述设备进一步包括至少一个平衡机构，所述至少一个平衡机构适于提供所述管件的相对于基于钻机的起重装置的渐增轴向移动，其中所述至少一个平衡机构测量所述管件负载。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述至少一个平衡机构包括至少一个平衡缸。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述至少一个平衡缸测量所述管件负载。

5.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备进一步被构造成以比释放所述实际管件负载所需的力小但足以释放所述预定负载的量来施加所述释放力。

6.根据权利要求1所述的设备，其中当至少第二夹持机构以接合方式夹持所述管件并承载所述管件的实际管件负载的至少大部分时，满足所述预定负载。

7.根据权利要求6所述的设备，其中当所述夹持机构与所述基于钻机的起重装置以可操作方式相联时，所述第二夹持机构与钻机平台装置以可操作方式相联。

8.根据权利要求6所述的设备，其中所述联锁系统与所述夹持机构及所述第二夹持机构以电子方式相联，并且所述联锁系统适于在释放所述夹持机构和所述第二夹持机构中的一个之前确认所述实际管件负载被所述夹持机构和所述第二夹持机构中的至少另一个以接合方式夹持。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述实际管件负载完全是轴向负载，并且所述释放力包括至少轴向分量。

10.根据权利要求1所述的设备，其中当所述管件负载落入确认所述管件被第二夹持机构夹持的容许负载范围内时，所述实际管件负载被减小到所述预定负载以下。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述联锁系统与所述夹持机构一体地形成。

12.一种钻机，所述钻机包括根据权利要求1所述的联锁设备。

13.一种确保管件由基于钻机的起重装置或夹持装置以接合方式夹持的方法，所述方法包括：

利用与所述基于钻机的起重装置以可操作方式相联的夹持机构夹持管件；

测量所述夹持机构上的实际管件负载；

将所述实际管件负载与预定负载进行比较，当满足所述预定负载时，提供确认所述夹持机构正夹持所述管件；

计算释放所述实际管件负载所需的比所述预定负载小的释放力，所述释放力基于且小于所述预定负载；

在所述实际管件负载大于所述预定负载的同时，对所述夹持机构施加所述释放力；以及

如果所述实际管件负载不大于所述预定负载，则释放所述夹持机构对所述管件的接合夹持。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述负载完全是轴向负载，并且进一步包括释放力，所述释放力包括至少轴向分量。

15.权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括计算释放所述实际管件负载所需的释放力。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述释放力被设定成释放所述实际管件负载所需的力的10％至90％，使得当所述负载被充分地减小时能够施加所述释放力以从所述夹持机构释放所述管件。

17.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：将释放力在轴向上在向上方向上施加到所述管件、在向下方向上施加到所述夹持机构，在径向上向内或向外施加释放力，或以其任何组合的方式施加释放力。

18.根据权利要求13所述的方法，其中第二夹持机构充分地夹持所述管件，使得所述夹持机构上的所述实际管件负载不大于所述预定负载。

19.根据权利要求15所述的方法，其中以可操作方式连接到所述夹持机构的负载传感器、至少一个平衡缸的位置、测量出的或计算出的在至少一个平衡缸上的力、或其任何组合来测量所述夹持机构上的所述实际管件负载。

20.根据权利要求13所述的方法，所述方法进一步包括相对于所述夹持机构对所述管件施加释放力。

21.一种禁止或防止在钻机的操作期间管件的非期望的释放的方法，所述方法包括：

利用与基于钻机的起重装置以可操作方式相联的第一夹持机构夹持管件；

测量所述第一夹持机构上的实际负载；

计算释放所述实际负载所需的比预定负载小的力，当满足所述预定负载时，提供确认所述夹持机构正夹持所述管件；

将释放力设定成小于释放所述实际负载所需的所述力；以及

在所述实际负载大于所述预定负载的同时，相对于所述夹持机构将所述释放力施加到所述管件，

其中不释放所述实际负载，除非第二夹持机构充分地夹持所述实际负载使得所述实际负载小于所述预定负载。

22.根据权利要求21所述的方法，其中第二夹持机构与钻机平台装置以可操作方式相联，并且所述第二夹持机构减小所述第一夹持机构上的所述实际负载，使得能够施加所述释放力以从所述第一夹持机构释放所述管件。

23.根据权利要求21所述的方法，其中所述释放力被设定成释放所述实际负载所需的所述力的10％至90％，使得当所述实际负载被充分地减小时，能够施加所述释放力以从所述第一夹持机构释放所述管件。

24.根据权利要求21所述的方法，其中将所述释放力在向上方向上施加到所述管件，在向下方向上施加到所述夹持机构，或者在向上方向上施加到所述管件并在向下方向上施加到所述夹持机构。

25.根据权利要求21所述的方法，进一步包括利用第二夹持机构充分地夹持所述管件，使得所述第一夹持机构上的所述实际负载不大于所述预定负载。

26.一种钻凿设备，包括：

基于钻机的起重装置，第一夹持机构与所述基于钻机的起重装置以可操作方式相联；

第二夹持机构，所述第二夹持机构与钻机平台以可操作方式相联；和

联锁系统，所述联锁系统与所述第一夹持机构及所述第二夹持机构一体地形成，所述联锁系统适于在释放所述第一夹持机构和所述第二夹持机构中的一个之前确认管件的实际负载由所述第一夹持机构和所述第二夹持机构中的至少另一个以接合方式夹持，

其中所述第一夹持机构和所述第二夹持机构适于仅当所述实际负载满足预定负载时并且仅当相对于所述第一夹持机构或所述第二夹持机构对所述管件施加释放力时释放所述管件，当满足所述预定负载时，提供确认所述第一夹持机构和所述第二夹持机构中的至少一个正夹持所述管件，所述释放力小于所述预定负载且基于所述预定负载且足以将所述管件从所述第一夹持机构或所述第二夹持机构释放，其中所述联锁系统适于在所述实际负载大于所述预定负载的同时对所述第一夹持机构或所述第二夹持机构施加所述释放力，并且如果所述实际负载不大于所述预定负载，则释放所述第一夹持机构和所述第二夹持机构中的所述至少一个对所述管件的夹持。

27.根据权利要求26所述的设备，其中至少一个平衡缸测量所述第一夹持机构上的所述实际负载。

28.根据权利要求26所述的设备，其中所述释放力小于释放所述实际负载所需的力，但是足以释放所述预定负载。

29.一种禁止或防止在钻机操作期间管件的释放的方法，所述方法包括：

利用与基于钻机的起重装置以可操作方式相联的第一夹持机构夹持管件；

测量与所述管件以可操作方式相联的第二夹持机构上的实际负载以确定所述管件是否正被夹持；

计算释放所述实际负载所需的比预定负载小的释放力，所述释放力基于所述预定负载；以及

在所述实际负载大于所述预定负载的同时，施加足以将所述管件从所述第一夹持机构释放的所述释放力，其中不释放所述实际负载，除非所述第二夹持机构正夹持所述实际负载。

30.根据权利要求29所述的方法，其中将测量出的所述实际负载与预设值进行比较，以确认所述第二夹持机构正夹持所述管件。

31.根据权利要求29所述的方法，所述方法进一步包括：测量所述第一夹持机构上的实际负载；以及在施加所述释放力之前，比较所述第一夹持机构和所述第二夹持机构上的测量出的所述实际负载，以确定所述管件由所述第二夹持机构充分地夹持。