CN104204406B - 用于连续和近连续钻孔的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供钻孔和起下钻设备封装和控制方案和方法，其使用两个或两个以上升降系统，所述两个或两个以上升降系统以同步方式同时且连续操作以使得进出井孔的管馈送是以连续或近连续移动来实现而不需要周期性中断。所述钻孔和起下钻设备封装和控制方案还能够以足够钻孔和后扩孔操作的连续速度和转矩在井孔中旋转管。所述钻孔和起下钻设备封装和控制方案另外能够以足够的压力和流量使钻孔流体循环到管的内部孔中以促进钻孔和后扩孔操作且对循环具有最少中断。

Description

用于连续和近连续钻孔的系统和方法

技术领域

本发明基本上涉及有用于钻孔应用中的系统和方法。更具体来说，本发明涉及有用于石油和/或天然气钻孔的系统和方法，但不一定限于这些应用。

背景技术

石油和天然气的钻孔应用的所属领域技术人员将了解，在钻井的过程中各种操作可消耗大量时间。另外，每当需要从井孔起出钻柱时，对钻孔操作来说失去潜在大量的时间。因为钻井的每天成本可为高的，尤其是结合深水应用中的海底钻孔，已经做出努力来减少花费在起下钻操作上的时间。类似地，已经做出努力来尝试大体上加速且获得更高效率的钻孔操作中。具体来说，已经努力尝试维持连续和近连续的钻井。钻机可任意处置以管理井的输入是包括钻管的旋转、提升(升高或有时候降低)钻管，以及流体向下通过钻管和回到表面的循环。现有钻孔技术的显著问题是它们需要钻管停止在钻台以连接到进入或正从井拉出的钻管的下一区段。在此停止周期期间，钻机用来管理井的所有动态输入停止，因为在移动时钻孔设备不再可旋转、提升或泵送流体。在此停止时间或连接时间期间，井经历造成非生产时间(NPT)的许多经典的井管理问题。当然，必须谨慎进行，以便不损安全性且还防止或最小化意外或污染的可能。

在过去，已经尝试使与钻孔相关的各种操作自动化。举例来说，在1968年10月8日颁与Gheorghe等人的题目为“用于连续和自动拉动和运行钻管柱的自动化系统和钻机(Automated System and Drilling Rig for Continuously and Automatically Pullingand Running a Drill-Pipe String)”的第3,404,741号美国专利描述一种方法，所述专利如同在此完整陈述那样以引用方式并入本文。在Gheorghe案中，将钻机描述为包含两个升降机，其经同步以便允许连续执行起下钻操作。Gheorghe案未能尤其揭示其中可以连续或近连续方式执行钻孔、后扩孔和起下钻操作的钻机或将在钻机上使用的系统，且也未能揭示用于控制钻机上的各种系统以允许连续或近连续钻孔、后扩孔和起下钻操作的系统。

在过去采用的一种方法涉及使用“多活动”钻孔组合件，其包含两个管状台。在2000年7月11日颁与Scott等人的题目为“多活动海上勘探和/或开发钻孔方法和设备(Multi-Activity Offshore Exploration and/or Development Drill Method andApparatus)(“Scott”)”的第6,085,851号美国专利中描述这种方法，所述专利如同在此完整陈述那样以引用方式并入本文。在Scott案中，描述一种设备和方法，其涉及使用两个钻柱以使得某些辅助动作可相对于一个钻柱进行，同时钻孔或起下钻操作相对于第二钻柱进行。此方法具有某些缺点，不仅仅是使用两个钻柱以及两者均结合单个井架对正在进行的操作增加复杂性。

需要一种用于钻孔和起下钻的设备和方法，其花费的时间少于标准钻孔和起下钻设备和方法。

发明内容

所属领域的技术人员将了解，本发明的此发明内容以及附带的本发明的实施例的详细描述不界定本发明的范围，且不提供对界定本发明的范围的权利要求书的替代，而是仅提供指南以提供对由权利要求书限定的本发明的完整范围的更好理解。在本发明的一个实施例中，提供一种系统，其具有目标且提供结合以下各项获得连续或近连续起下钻操作的能力作为优点：具有井架的钻机，两个独立可操作绞车，两个独立可操作游动差钻器，钻孔流体转向系统，以及用于自动控制钻孔操作的集成控制系统。在本发明的另一实施例中，所述系统进一步包含响应于井参数的若干传感器，其将关于井的信息馈送到基于此些井参数中的一或多者采取动作以进一步控制钻孔操作的集成控制系统。在本发明的另一实施例中，提供一种方法，用于自动控制井架中的两个独立可操作游动差钻器的操作以获得连续或近连续起下钻操作。在再一方法中，操作者可通过针对安全性、环境和其它偏好或问题指定额外条件或参数而修改自动化钻孔活动。在再一实施例中，所述系统将关于钻孔活动、井条件和参数和操作条件的数据自动存储在数据库中。

本发明提供的一个益处在于，在钻孔的同时，其在连接时间期间不停止，且钻柱的此连续或近连续旋转、起重能力和泥浆循环显著减少经典的石油和天然气井钻孔挑战的可能性，例如但不限于将钻管不同地粘到井孔壁以及由于循环损失引起的井孔切割积累而出现的复杂性。

本发明提供一种钻孔和起下钻系统，其包括：多个升降系统；多个游动差钻器，其各自与所述多个升降系统中的至少一者相关联；一或多个管处置和存储系统，其与所述多个游动差钻器中的至少一者相关联；一或多个钻孔流体转向系统，其与所述多个游动差钻器中的至少一者相关联；以及控制系统。在某些实施例中，所述钻孔和起下钻系统包括第一升降系统和第二升降系统。在替代实施例中，所述钻孔和起下钻系统包括第一升降系统、第二升降系统和第三升降系统。在一些实施例中，所述第一升降系统和/或第二升降系统和/或第三升降系统包括绞车、绞盘、液压油缸、齿条齿轮系统或高负载线性马达。

在其它实施例中，所述钻孔和起下钻系统包括第一游动差钻器和第二游动差钻器。在另外实施例中，所述钻孔和起下钻系统包括第一游动差钻器、第二游动差钻器和第三游动差钻器。在特定实施例中，所述第一游动差钻器和/或第二游动差钻器和/或第三游动差钻器包括以下组件中的一者、一些或全部：旋转电梯碗；下部旋转转矩扳手；上部旋转转矩扳手；旋转器；泥浆斗；以及流体连接系统。在另外实施例中，旋转电梯碗包括以下组件中的一者、一些或全部：主体；碗；止推轴承；所述主体、碗和止推轴承中的经对准径向开口；马达；以及多个传感器。在另外实施例中，下部旋转转矩扳手包括以下组件中的一者、一些或全部：环形齿轮，其包括门；至少第一马达；以及多个凸轮锁爪。在额外实施例中，上部旋转转矩扳手包括以下组件中的一者、一些或全部：环形齿轮，其包括门；至少第一马达；以及多个凸轮锁爪。在某些实施例中，旋转器是两部分旋转器。在特定实施例中，泥浆斗是两部分泥浆斗。

在一些实施例中，控制系统包括计算机，所述计算机进一步包括用于操作所述钻孔和起下钻系统的指令。在其它实施例中，所述控制系统包括用于同时控制所述升降系统、所述游动差钻器、所述管处置和存储系统和所述钻孔流体转向系统的操作的指令。在再其它实施例中，控制系统包括响应于与钻孔或起下钻操作相关联的数据的指令。在另外实施例中，所述控制系统包括响应于存储在非易失性存储器中的数据、与钻孔或起下钻操作相关联的实时数据和用户输入的指令。

本发明还提供一种用于以连续或近连续旋转和近连续泥浆循环从孔移除钻柱的一部分的方法，其包括对钻机装备所揭示的钻孔和起下钻系统，以及操作所述钻孔和起下钻系统以用连续或近连续旋转和近连续泥浆循环从孔移除钻柱的至少一部分。

另外，本发明提供一种用于钻石油或天然气井的方法，其包括对钻机装备所揭示的钻孔和起下钻系统，以及操作所述钻孔和起下钻系统以钻石油或天然气井。

另外，本发明提供一种用于以最大速度从竖管或套管孔移除管而不需要所述管的流体循环或旋转的方法，其包括对钻机装备所揭示的钻孔和起下钻系统，以及操作所述钻孔和起下钻系统以用最大速度从竖管或套管孔移除管而不需要所述管的流体循环或旋转。

本发明进一步提供一种钻孔和起下钻系统，其包括：多个升降系统；游动差钻器，其与所述多个升降系统中的至少一者相关联；顶部驱动器，其与所述多个升降系统中的至少一者相关联，所述顶部驱动器连接到保护接头；管处置和存储系统，其与所述游动差钻器相关联；钻孔流体转向系统，其与所述游动差钻器相关联；以及控制系统。在某些实施例中，所述钻孔和起下钻系统包括第一升降系统、第二升降系统和第三升降系统。所述第一升降系统、第二升降系统和/或第三升降系统可包括绞车、绞盘、液压油缸、齿条齿轮系统或高负载线性马达。在特定实施例中，所述第一和第二升降系统与所述游动差钻器相关联，且所述第三升降系统与所述顶部驱动器相关联。

游动差钻器可包括框架、下部转矩扳手、上部转矩扳手和泥浆斗。泥浆斗可为三部分泥浆斗，其可包括具有上部管柱塞的上部旋转腔室、具有全封闭柱塞的中间静止腔室，和具有下部管柱塞的下部腔室。所述泥浆斗还可包括第二上部管柱塞和/或第二下部管柱塞。下部转矩扳手和/或上部转矩扳手可包括：环形齿轮，其包括门；至少第一马达；以及多个凸轮锁爪。上部转矩扳手还可包括浮动机构。顶部驱动器还可包括浮动机构。

控制系统可包括计算机，所述计算机包括用于操作所述钻孔和起下钻系统的指令。所述控制系统还可包括用于同时控制所述升降系统、所述游动差钻器、所述管处置和存储系统和所述钻孔流体转向系统的操作的指令。另外，所述控制系统可包括响应于与钻孔或起下钻操作相关联的数据的指令。所述控制系统可另外包括响应于存储在非易失性存储器中的数据、与钻孔或起下钻操作相关联的实时数据和用户输入的指令。

本发明进一步提供游动差钻器，其包括框架、下部转矩扳手、上部转矩扳手和泥浆斗。泥浆斗可包括：包括至少第一上部管柱塞的上部旋转腔室、包括全封闭柱塞的中间静止腔室，和包括至少第一下部管柱塞的下部旋转腔室。所述泥浆斗可进一步包括第二上部管柱塞和第二下部管柱塞。下部和/或上部转矩扳手可包括：环形齿轮；至少第一马达；以及多个凸轮锁爪。上部转矩扳手可进一步包括浮动机构。

本发明还提供一种泥浆斗，其包括：包括至少第一上部管柱塞的上部旋转腔室、包括全封闭柱塞的中间静止腔室，和包括至少第一下部管柱塞的下部旋转腔室。所述泥浆斗可进一步包括在上部旋转腔室与中间静止腔室之间的回转环，和/或在中间静止腔室与下部旋转腔室之间的回转环。泥浆斗还可包括多个泥浆端口。

本发明另外提供一种用于钻孔和起下钻系统的控制系统，其包括计算机，所述计算机包括用于操作所述钻孔和起下钻系统的指令。所述计算机可进一步包括用于同时控制多个升降系统、游动差钻器、顶部驱动器、管处置和存储系统和钻孔流体转向系统的操作的指令。所述计算机还可包括响应于与钻孔或起下钻操作相关联的数据的指令。此外，所述计算机可包括响应于存储在非易失性存储器中的数据、与钻孔或起下钻操作相关联的实时数据或用户输入的指令。

本发明还提供一种用于从孔移除钻柱的一部分的方法，其包括：对钻机装备钻孔和起下钻系统，所述钻孔和起下钻系统包括：多个升降系统；游动差钻器，其与所述多个升降系统中的至少一者相关联；顶部驱动器，其与所述多个升降系统中的至少一者相关联，所述顶部驱动器连接到保护接头；管处置和存储系统，其与所述游动差钻器相关联；钻孔流体转向系统，其与所述游动差钻器相关联；以及控制系统；以及操作所述钻孔和起下钻系统以从孔移除钻柱的至少一部分。

本发明进一步提供一种用于钻石油或天然气井的方法，其包括：对钻机装备钻孔和起下钻系统，所述钻孔和起下钻系统包括：多个升降系统；游动差钻器，其与所述多个升降系统中的至少一者相关联；顶部驱动器，其与所述多个升降系统中的至少一者相关联，所述顶部驱动器连接到保护接头；管处置和存储系统，其与所述游动差钻器相关联；钻孔流体转向系统，其与所述游动差钻器相关联；以及控制系统；以及操作所述钻孔和起下钻系统以钻石油或天然气井。

此外，本发明提供一种用于从竖管或套管孔移除管而不需要所述管的流体循环或旋转的方法，其包括：对钻机装备钻孔和起下钻系统，所述钻孔和起下钻系统包括：多个升降系统；游动差钻器，其与所述多个升降系统中的至少一者相关联；顶部驱动器，其与所述多个升降系统中的至少一者相关联，所述顶部驱动器连接到保护接头；管处置和存储系统，其与所述游动差钻器相关联；钻孔流体转向系统，其与所述游动差钻器相关联；以及控制系统；以及操作所述钻孔和起下钻系统以从竖管或套管孔移除管而不需要所述管的流体循环或旋转。

附图说明

附图形成本说明书的部分且包含附图以进一步证明本发明的某些方面。通过结合本文呈现的特定实施例的详细描述参考这些图中的一或多者可更好地理解本发明。

图1。所揭示钻孔和起下钻系统的一个实施例的示意性表示。

图2。集成控制系统的概念的一个实施例的框图。

图3。集成控制系统顶部层级硬件的一个实施例的框图。

图4A-1、图4A-2和图4B-1、图4B-2。展示用于在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下以1英尺/秒从孔移除管的一个循环的详细操作序列的一个实施例的框图。在所描述循环中的每一者的结束时，循环以通道A执行通道B完成的任务来重复，反之亦然。图4A-1和图4A-2。展示用于在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下以1英尺/秒从孔移除管的一个循环的前近似62.5％的详细操作序列的一个实施例的框图。图4B-1和图4B-2。展示用于在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下以1英尺/秒从孔移除管的一个循环的最后近似37.5％的详细操作序列的一个实施例的框图。

图5A和图5B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图5A。在第一TDR延伸且接合在钻具接头下方之前在t＝0秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图5B。在t＝0秒时第一TDR的特写图。

图6A和图6B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图6A。在第一TDR的旋转器延伸以接合管时在t＝5秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图6B。在t＝5秒时第一TDR的特写图。

图7A和图7B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图7A。在第一TDR的上部转矩扳手缩回时在t＝11秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图7B。在t＝11秒时第一TDR的特写图。

图8A和图8B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图8A。在第一TDR的泥浆斗关闭时在t＝14秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图8B。在t＝14秒时第一TDR的特写图。

图9A和图9B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图9A。在旋转器断开管时第一TDR的泥浆斗提取泥浆时在t＝19秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图9B。在t＝19秒时第一TDR的特写图。

图10A和图10B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图10A。在第一TDR的泥浆斗缩回时在t＝24秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图10B。在t＝24秒时第一TDR的特写图。

图11A和图11B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图11A。在机架臂移除断开的管时在t＝26秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图11B。在t＝26秒时第一TDR的特写图。

图12A和图12B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图12A。在第一TDR的流体连接系统接合旋转管时在t＝32秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图12B。在t＝32秒时第一TDR的特写图。

图13A和图13B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图13A。在密封后泥浆流开始时在t＝36秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图13B。在t＝36秒时第一TDR的特写图。

图14A和图14B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图14A。在正以旋转和泥浆流拉动管时在t＝45秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图14B。在t＝45秒时第一TDR的特写图。

图15A和图15B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图15A。在第二TDR与下一钻具接头接合在t＝77秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图15B。在t＝77秒时第一TDR的特写图。

图16A和图16B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图16A。在第二TDR接管管的重量负载和旋转时在t＝81秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图16B。在t＝81秒时第一TDR的特写图。

图17A和图17B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图17A。在第一TDR的流体连接系统脱离时在t＝92秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图17B。在t＝92秒时第一TDR的特写图。

图18A和图18B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图18A。在第一TDR开始从管缩回时在t＝95秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图18B。在t＝95秒时第一TDR的特写图。

图19A和图19B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图19A。在机架臂移除架同时第一TDR使井架下降时在t＝103秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图19B。在t＝103秒时第一TDR和第二TDR的特写图。

图20A和图20B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图20A。在第二TDR拉动且旋转管时在t＝115秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图20B。在t＝115秒时第一TDR的特写图。

图21A和图21B。在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下在以1英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图21A。在第一TDR回到开始位置等待下一钻具接头时在t＝129秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图21B。在t＝129秒时第一TDR的特写图。

图22A-1、图22A-2和图22B-1、图22B-2。展示以1英尺/秒进行钻孔的一个循环的详细操作序列的一个实施例的框图。在所描述循环的结束时，循环以通道A执行通道B完成的任务来重复，反之亦然。图22A-1和图22A-2。展示以1英尺/秒进行钻孔的一个循环的前近似46.5％的详细操作序列的一个实施例的框图。图22B-1和图22B-2。展示以1英尺/秒进行钻孔的一个循环的最后近似53.5％的详细操作序列的一个实施例的框图。

图23A和图23B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图23A。在第一TDR正在钻孔、旋转且降低管并循环泥浆时在t＝1秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图23B。在t＝1秒时第一TDR的特写图。

图24A和图24B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图24A。在架到达钻台、穿透停止且泥浆阀关闭时在t＝8秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图24B。在t＝8秒时第一TDR的特写图。

图25A和图25B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图25A。在第一TDR的流体连接系统缩回且第一TDR的泥浆斗打开时在t＝19秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图25B。在t＝19秒时第一TDR的特写图。

图26A和图26B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图26A。在第一TDR的旋转器和上部转矩扳手接合同时在机架臂插入新架时在t＝23秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图26B。在t＝23秒时第一TDR的特写图。

图27A和图27B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图27A。在第一TDR的旋转器和上部转矩扳手连接新架时在t＝26秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图27B。在t＝26秒时第一TDR的特写图。

图28A和图28B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图28A。在第一TDR的旋转器和上部转矩扳手脱离时在t＝30秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图28B。在t＝30秒时第一TDR的特写图。

图29A和图29B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图29A。在第二TDR在井架的顶部处与管接合时在t＝34秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图29B。在t＝34秒时第一TDR的特写图。

图30A和图30B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图30A。在第一TDR从管中心缩回时在t＝36秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图30B。在t＝36秒时第一TDR的特写图。

图31A和图31B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图31A。在第一TDR提升到井架的顶部时在t＝43秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图31B。在t＝43秒时第一TDR的特写图。

图32A和图32B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图32A。在钻孔经由第二TDR继续时在t＝50秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图32B。在t＝50秒时第一TDR和第二TDR的特写图。

图33A和图33B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图33A。在第二TDR到达钻台且穿透停止时在t＝129秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图33B。在t＝129秒时第二TDR的特写图。

图34A和图34B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图34A。在机架臂带入下一架同时第二TDR断开时在t＝146秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图34B。在t＝146秒时第二TDR的特写图。

图35A和图35B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图35A。在第二TDR连接新架时在t＝152秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图35B。在t＝152秒时第二TDR的特写图。

图36A和图36B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图36A。在第一TDR接合新架的顶部时在t＝162秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图36B。在t＝162秒时第一TDR的特写图。

图37A和图37B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图37A。在第一TDR拾取重量、旋转负载且接合流体连接系统时在t＝165秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图37B。在t＝165秒时第一TDR的特写图。

图38A和图38B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图38A。在第二TDR已缩回且第一TDR正在钻孔时在t＝170秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图38B。在t＝170秒时第一TDR的特写图。

图39A和图39B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图39A。在第二TDR升高到井架的顶部时在t＝175秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图39B。在t＝175秒时第一TDR的特写图。

图40A和图40B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图40A。在机架臂定位下一架时在t＝185秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图40B。在t＝185秒时第一TDR和第二TDR的特写图。

图41A和图41B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图41A。在第一TDR继续钻孔时在t＝210秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图41B。在t＝210秒时第一TDR的特写图。

图42A和图42B。在以1英尺/秒钻孔期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。图42A。在第一TDR到达钻台且循环重复时在t＝250秒时钻孔和起下钻系统的示意图。图42B。在t＝250秒时第一TDR的特写图。

图43A-1、图43A-2和图43B-1、图43B-2。展示用于在不需要管的流体循环或旋转的情况下以3英尺/秒从竖管或套管孔移除管的一个循环的详细操作序列的一个实施例的框图。在所描述循环的结束时，循环以通道A执行通道B完成的任务来重复，反之亦然。图43A-1和图43A-2。展示用于在不需要管的流体循环或旋转的情况下以3英尺/秒从竖管或套管孔移除管的一个循环的前近似54.8％的详细操作序列的一个实施例的框图。图43B-1和图43B-2。展示用于在不需要管的流体循环或旋转的情况下以3英尺/秒从竖管或套管孔移除管的一个循环的最后近似45.2％的详细操作序列的一个实施例的框图。

图44。在无循环或旋转的情况下在以3英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。展示在第一TDR正在从孔拉动管时在t＝0秒时的钻孔和起下钻系统。

图45。在无循环或旋转的情况下在以3英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。展示在第一TDR正在断开顶部架时在t＝2秒时的钻孔和起下钻系统。

图46。在无循环或旋转的情况下在以3英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。展示在第一TDR断开顶部架同时在机架臂控制顶部架时在t＝6秒时的钻孔和起下钻系统。

图47。在无循环或旋转的情况下在以3英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。展示在第二TDR使井架下降时在t＝9秒时的钻孔和起下钻系统。

图48。在无循环或旋转的情况下在以3英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。展示在第一TDR已完成断开顶部架且机架臂将顶部架移动到管架时在t＝19秒时的钻孔和起下钻系统。

图49。在无循环或旋转的情况下在以3英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。展示在机架臂返回到开始位置时在t＝26秒时的钻孔和起下钻系统。

图50。在无循环或旋转的情况下在以3英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。展示在第二TDR接合下一钻机接头时在t＝27秒时的钻孔和起下钻系统。

图51。在无循环或旋转的情况下在以3英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。展示在第二TDR拾取重量且第一TDR缩回时在t＝32秒时的钻孔和起下钻系统。

图52。在无循环或旋转的情况下在以3英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。展示在第一TDR使井架下降同时第二TDR断开钻具接头时在t＝36秒时的钻孔和起下钻系统。

图53。在无循环或旋转的情况下在以3英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。展示在第二TDR已断开架且机架臂放置所述架时在t＝49秒时的钻孔和起下钻系统。

图54。在无循环或旋转的情况下在以3英尺/秒从孔移除管期间图1所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。展示在循环重复时在t＝60秒时的钻孔和起下钻系统。

图55。所揭示钻孔和起下钻系统的另一实施例的示意性表示。

图56。游动差钻器的一个实施例的示意性表示。

图57。泥浆斗的一个实施例的示意性表示。

图58。集成控制系统的概念的一个实施例的框图。

图59。集成控制系统顶部层级硬件的一个实施例的框图。

图60。在t＝0秒(开始状态)时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图61。在机架臂在保护接头下方移动新管架的顶部接头，顶部驱动器浮动机构施加插入力且顶部驱动器构成保护接头与架之间的接头时在t＝3秒时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图62。在顶部驱动器向下加速以追上TDR且旋转直到钻孔速度、顶部驱动器浮动机构缩回且新架的底部接头插入到泥浆斗的上部腔室中时在t＝17秒时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图63。在上部密封围绕新管架闭合且流体转向系统引导流体通过顶部驱动器填充架和泥浆斗时在t＝21秒时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图64。在上部转矩扳手接合在管上、顶部驱动器浮动机构施加插入力且顶部驱动器增加速度以构成架与钻管之间的接头时在t＝25秒时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图65。在上部和下部转矩扳手脱离、将钻管的重量转移到顶部驱动器、钻孔流体从泥浆斗真空排出且上部和下部泥浆斗密封打开时在t＝26秒时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图66。在顶部驱动器向下实行钻孔、TDR提升到准备好从顶部驱动器重新取得钻管的位置时且在保护副接头开始进入TDR、TDR向下加速以与顶部驱动器匹配运动时在t＝56秒时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图67。在上部和下部转矩扳手接合在保护副接头上方和下方且上部和下部泥浆斗密封关闭时在t＝56秒时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图68。在流体转向系统将流体引导到TDR的下部腔室中且在上部和下部转矩扳手卸开接头同时顶部驱动器和上部转矩扳手浮动机构将分隔力施加于接头时在t＝57秒时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图69。在上部转矩扳手脱离、TDR运载钻管的重量、中间泥浆斗密封关闭且泥浆从上部腔室和保护接头真空排出时在t＝60秒时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图70。在上部泥浆斗密封打开且顶部驱动器从钻管和TDR完全脱离时在t＝63秒时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图71。在TDR继续向下钻孔同时在顶部驱动器起重机提升回到准备好下一循环的最高位置时在t＝91秒时以1英尺/秒钻孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图72。在t＝0秒(开始状态)时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图73。在上部泥浆斗密封围绕保护接头闭合、流体转向系统开始引导钻孔流体通过顶部驱动器和保护接头、填充泥浆斗且中间泥浆斗密封打开、接合上部与下部腔室时在t＝4秒时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图74。在上部转矩扳手与保护接头接合、顶部驱动器和上部转矩扳手浮动机构施加插入力且上部转矩扳手构成保护副接头时在t＝8秒时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图75。在上部和下部转矩扳手脱离、顶部驱动器取得钻管的重量、钻孔流体从泥浆斗真空排出且上部和下部泥浆斗密封打开时在t＝9秒时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图76。在顶部驱动器起重机继续从孔拉动钻管同时在TDR移动到其最低位置时在t＝35秒时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图77。在系统等待直到待移除的下一架的底部接头开始进入TDR且TDR与顶部驱动器匹配垂直速率时在t＝38秒时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图78。在上部和下部泥浆斗密封关闭且上部和下部转矩扳手在接头的任一侧与管接合时在t＝39秒时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图79。在顶部驱动器和上部转矩扳手浮动机构施加分隔力、上部扳手卸开接头且流体转向系统将钻孔流体引导到泥浆斗中时在t＝40秒时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图80。在上部转矩扳手脱离、中间泥浆斗密封关闭、流体从泥浆斗的上部腔室真空排出且保护接头和上部密封打开时在t＝43秒时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图81。在顶部驱动器向上加速以使得架的下端离开TDR的顶部、顶部驱动器维持TDR上方的此距离、顶部驱动器停止旋转、TDR继续从孔拉动管且机架臂移入并抓持架时在t＝58秒时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图82。在顶部驱动器浮动机构施加分隔力、顶部驱动器卸开保护副接头、机架臂撤回架且随后开始使架返回到准备好下一循环的管架的过程时在t＝64秒时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图83。在顶部驱动器向下降低回到准备好下一循环的开始位置时在t＝100秒时以1英尺/秒后扩孔期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。一旦保护副接头进入泥浆斗，顶部驱动器便与TDR匹配垂直速率，且以与钻孔管相同的速度开始旋转。

图84。在t＝0秒(开始状态)时以3英尺/秒起钻期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图85。在上部转矩扳手与保护接头接合、顶部驱动器和上部转矩扳手浮动机构施加插入力且上部转矩扳手构成保护副接头时在t＝2秒时以3英尺/秒起钻期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图86。在上部和下部转矩扳手脱离且顶部驱动器取得钻孔管的重量时在t＝3秒时以3英尺/秒起钻期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图87。在顶部驱动器起重机继续从孔拉动钻管同时在TDR移动到其最低位置时在t＝11秒时以3英尺/秒起钻期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图88。在系统等待直到待移除的下一架的底部接头开始进入TDR且TDR与顶部驱动器匹配垂直速率时在t＝13秒时以3英尺/秒起钻期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图89。在上部和下部转矩扳手在接头的任一侧与管接合、顶部驱动器和上部转矩扳手浮动机构施加分隔力且上部扳手卸开接头时在t＝14秒时以3英尺/秒起钻期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图90。在上部转矩扳手脱离且TDR支撑钻孔管的重量时在t＝16秒时以3英尺/秒起钻期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图91。在顶部驱动器向上加速以使得架的下端离开TDR的顶部、顶部驱动器维持TDR上方的此距离且机架臂移入并抓持架时在t＝21秒时以3英尺/秒起钻期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图92。在顶部驱动器浮动机构施加分隔力、顶部驱动器卸开保护副接头、机架臂撤回架且随后开始使架返回到准备好下一循环的管架的过程时在t＝25秒时以3英尺/秒起钻期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。

图93。在顶部驱动器向下降低回到准备好下一循环的开始位置时在t＝34秒时以3英尺/秒起钻期间图55所示的钻孔和起下钻系统的示意性表示。一旦保护副接头进入泥浆斗，顶部驱动器便与TDR匹配垂直速率以使得保护副接头停留在上部泥浆斗腔室中，且顶部驱动器以与钻孔管相同的速度开始旋转。

图94。TDR状态机的框图。

具体实施方式

本发明提供一种钻孔和起下钻设备封装和控制方案，例如可用于但不限于含有两个或两个以上完整系统的任何海上钻机和相关方法上的操作，所述两个或两个以上完整系统以同步方式同时且连续或近连续操作以使得进出井孔的管馈送是以连续或近连续移动来实现而不需要周期性中断。所述钻孔和起下钻设备封装和控制方案还能够以对于钻孔和后扩孔操作足够的连续速度和转矩在井孔中旋转管。所述钻孔和起下钻设备封装和控制方案另外能够以足够的压力和流量使钻孔流体循环到管的内部孔中以促进钻孔和后扩孔操作，对循环具有最少中断。

本发明还提供一种钻孔和起下钻设备封装和控制方案，其能够以连续或近连续移动将管馈送进出井孔而不需要周期性中断。所述钻孔和起下钻设备封装和控制方案还能够以对于钻孔和后扩孔操作足够的连续速度和转矩在井孔中旋转管。所述钻孔和起下钻设备封装和控制方案另外能够以足够的压力和流量使钻孔流体循环到管的内部孔中以促进钻孔和后扩孔操作，对循环具有最少中断或无中断。

如本文详细描述，所展示和描述的系统和方法可用以结合钻石油或天然气井而自动控制操作和活动以使得实现连续或近连续操作。另外，集成控制系统允许用户输入系统的操作可能需要的钻孔参数，以及基于可存储在与控制系统相关联的存储器中的与正在进行的钻孔或起下钻操作相关的数据和/或与钻孔或起下钻操作相关的数据控制操作。集成控制系统或者可用以遵循其经编程以遵循的一些或全部预设参数和信息。集成控制系统因此允许操作者修改或定制集成控制系统和总体系统的操作，例如通过允许操作者指定可指示不安全条件的额外参数，其为操作者偏好或适用于给定井但不一定适用于其它井或应用。而且，集成控制系统及其数据库可用以存储关于钻孔活动和操作、井孔条件、钻孔参数和类似物的广泛多种数据，其可最后用以评估操作和井，且规划与其相关的一或多个其它井和操作以及活动。

所属领域的技术人员将了解，本发明中使用的许多术语是现有技术中众所周知和了解的，且不一定需要定义。然而，下文基本上了解为了额外背景和读者的方便而提供定义。所属领域的技术人员将进一步了解，此一般使用相对于所主张的本发明不是限制性的。

后扩孔：在旋转的同时从钻孔撤回钻柱的过程。

卸开：通常是打开(松开)和旋出(旋松螺纹)以断开两个钻管的过程。

天车：起重机的上部滑轮组。

天车补偿器：液压装置，其补偿通常在海上操作期间船只或钻机的上下运动。这通常以升高和降低顶部驱动器，使得钻头与钻孔的末端接触而停留。

绞车：用以将钻绳馈送到起重机或从起重机馈送钻绳的电动单元。

钻绳：从绞车且在天车和行进块上延伸的缆绳。

钻管：通常是一段长度的钢管，经常是10m或类似长度，形成钻“柱”的部分。钢凸部经常焊接到管的任一端。基本上，一个凸部并入有阳螺纹，且另一凸部并入有阴螺纹。这允许构成钻管(螺旋或以其它方式连接在一起)以形成钻柱。

钻架：在用于钻孔之前两个或三个钻管的短序列通常连接在一起。使用钻架经常通过减少必须构成或卸开管接头的次数而加速操作。

钻柱：基本上，连接在一起且下降到钻孔中的一系列钻管。钻柱的顶端通常附接到顶部驱动器或TDR，而底端通常附接到钻头。

起重机：通常是结合绞车使用以升高和降低顶部驱动器和TDR的滑轮组系统。

构成：连接一个钻管与另一钻管的过程，通常包含刺穿(将一个钻管上的阴螺纹插入到另一钻管的阳螺纹中)、旋入(将螺纹旋在一起)和加转矩(上紧螺纹)。

泥浆：在钻孔或扩孔操作期间通常泵送通过钻柱且送出钻孔的混合物。泥浆通常用以为钻柱提供润滑，运载从钻头切掉的石块，且维持钻孔中的正确压力。

泥浆斗：用于固持泥浆的容器，其可在卸开或构成接头时围绕管的一部分密封。

机架：通常是管架保持准备好连接到钻柱或在卸开之后放置的区域。

穿透率(ROP)：通常是在钻孔期间钻柱下降到井孔中的垂直速度。

保护接头：经常是一段短长度的钻管，其连接到顶部驱动器以在卸开和构成接头时节省顶部驱动轴杆上的螺纹上的磨损。如用于连续钻孔系统的一个实施例中预期，保护接头将比典型情况长，从而允许其突出到TDR中。

顶部驱动器：例如在钻孔或扩孔期间使钻柱旋转的电动或液压马达。

转矩扳手：通常是电动扳手，其可夹持管接头的任一侧且提供足够转矩以构成或卸开接头。

动滑轮：通常是起重机的下部滑轮组。

游动差钻器(TDR)：如下更详细描述和定义的装置，其可在钻柱正旋转和/或泥浆正循环时构成和卸开管接头。

下钻：通常是在钻孔之前将钻柱降低到孔中的过程。

起钻：通常是在钻孔周期之后从孔升高钻柱的过程。例如当钻头需要更换时是需要的。

现在参见图1，展示所揭示钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意性表示。在此特定实施例中，钻孔和起下钻系统1包含第一绞车2(本文也称为绞车A)、安装在第一移动台车13上的第一游动差钻器3、第二绞车4(本文也称为绞车B)、安装在第二移动台车15上的第二游动差钻器5、机架臂6、管架7、管8和钻具接头11。图1还展示井架9和井架9的钻台10。

所揭示钻孔和起下钻系统包含两个或两个以上协调的自动控制升降系统，其能够提升和/或降低管的额定重量，具有任何所需的过拉力和安全因数。在图1所示的钻孔和起下钻系统的实施例中，此升降系统是传统绞车(绞盘)，但在其它实施例(未图示)中，升降系统可为液压油缸、齿条齿轮系统、高负载线性马达或能够升降所需重量的任何其它装置。图1所示的钻孔和起下钻系统的实施例包含第一绞车2和第二绞车4。

所揭示钻孔和起下钻系统还包含两个或两个以上协调的自动控制可缩回工具，其安装在移动台车上且由上述升降系统提升/降低。此工具通常称为游动差钻器或TDR。如图1描绘，钻孔和起下钻系统包含第一TDR 3(本文也称为TDR-A)和第二TDR 5(本文也称为TDR-B)。TDR实施许多功能，包含将升降装置附接到管，允许管在旋转的同时提升和降低，旋转管以进行钻孔和后扩孔操作，在管架之间构成和卸开接头，包含和返回过量钻孔流体到钻孔流体系统，当管正在旋转且处于连续垂直运动中时对准和连接管架，当管正在旋转且处于连续垂直运动中时断开和移除架，在从管添加和移除架时将高压力和流量钻孔流体系统连接到管中以允许近连续流体流动。因此，TDR以如下方式运载钻孔管或钻柱的重量：允许自由旋转，以用于钻孔和后扩孔操作的足够转矩旋转钻孔管，在管中构成和卸开钻具接头，与现有架连接和断开管架，在操作循环中的不同点处俘获从管流出的钻孔流体，清洁和预处理管螺纹，以及将循环钻孔流体耦合到管中用于钻孔和后扩孔操作。如本文详细描述，在管处于连续旋转和垂直运动时可实施TDR的所有功能。

TDR的底部部分包含旋转电梯碗(REB，图1中不可见，参见如图23B中的REB19，以及图33B中的REB29)，其用以用管自由旋转的方式运载钻孔管的重量。在钻具接头的底部肩部上运载管的重量。REB的主要组件是：主体，其运载管重量回到TDR主框架；碗，其自由旋转，由止推轴承支撑，其中在碗旋转时轴承元件未自由进动；主体、碗和止推轴承中的对准径向开口(称为“喉部”)，其允许REB从井架的侧面接合到管上和离开管；“小型”马达(电动或液压)，其能够在从管断开时使碗旋转以允许碗与主体之间的喉部的对准；以及传感器，用以指示碗喉部与主体喉部的对准。

TDR还包含下部旋转转矩扳手(LTW，图1中不可见；参见例如图23B)，其为电动或液压供电扳手，接合在钻具接头的底部半部上且用以使管旋转以进行所有钻孔操作。LTW的主要组件是：环形齿轮，具有“门”，其可打开以产生喉部，允许在水平轴上接合和脱离管(当此“门”关闭时环形齿轮为完整的360°齿轮环)；一或多个马达(液压或电动)，用于驱动耦合到环形齿轮的小齿轮(这些马达的功率和速度额定值以及环形齿轮与小齿轮的齿轮比是基于钻孔应用的转矩和速度要求来确定)；以及多个凸轮锁爪，其可从管耦合和解耦。

TDR还包含上部旋转转矩扳手(UTW，图1中不可见；参见例如图26B)，其为液压供电扳手，接合在钻具接头的顶部半部上且用以在管中连接和断开钻具接头。不同于LTW，UTW以零转矩旋转，或以高转矩进行小的增量移动，因此其功率要求比LTW小得多。另外，不同于LTW，必须允许UTW从钻具接头缩回以便允许泥浆斗在旋转器和流体连接操作期间接合。尽管存在功率额定差异和缩回的需要，但UTW的主要组件与LTW相同。

TDR还包含旋转器(图1中不可见，例如参见图7B)，其为液压或电动供电装置，用于在连接和断开期间管架的快速旋转。旋转器在“拉出孔”操作中UTW已“卸开”接头之后以及在“进入孔”操作中UTW“构成”接头之前操作。另外，TDR还包含泥浆斗(MB，图1中不可见，例如参见图9B)，其为两部分泥浆容器，在每当预期钻孔流体的流出时在钻具接头周围闭合。MB具备合适的真空管，其能够以其最大流出速率提取钻孔流体且将其返回到流体处置系统。而且，MB可具有必要的洗涤和空气系统以从将连接的螺纹清洁钻孔流体。另外，MB可并入有用于将“管涂料”分配到将连接的螺纹上的系统。

TDR还包含流体连接系统(FCS，图1中不可见；参见例如图12B和图25B)，其为可缩回快速连接系统，用于在钻孔和后扩孔操作期间将钻孔流体连接到钻孔管的顶部中，且对膨胀式封隔器利用类似技术。FCS包含用于允许管自由旋转的旋转耦合件，且针对合适的压力和流量进行额定以用于钻孔和后扩孔操作。FCS配备一或多个阀，用于在钻孔操作期间按需要将管线密封于泥浆泵和钻孔流体转向系统(FDS，图1中不可见)。FDS是泥浆泵与第一和第二TDR之间的额外系列的阀，原因在于需要使钻孔流体快速转向到第一TDR、第二TDR或不转向到任一TDR。FDS允许将钻孔流体路由到第一TDR、第二TDR或循环回到泥浆罐而不停止泥浆泵。

所揭示钻孔和起下钻系统还包含一或多个管处置和存储系统，其允许钻管架在其从钻柱断开且从TDR脱离时从井中心移动到合适的存储架，且在其与TDR接合时使其移动回到井中心。在管处于恒定旋转和垂直运动中的情况下实施所有这些动作。如图1中描绘，此系统的主要组件是机架臂6，且还包含管架7，但在其它实施例(未图示)中，可包含额外机架臂和/或管架。

所揭示钻孔和起下钻系统还包含钻孔流体转向系统(图1中不可见，参见例如图14B和图37B)，其允许将钻孔流体引导到第一TDR 3或第二TDR 5，或再循环到泥浆系统(未图示)而不停止泥浆泵(未图示)。

所揭示钻孔和起下钻系统还包含集成冗余控制系统(图2)，具有若干传感器和致动器，可用以用同步方式控制所有上述子系统以促进起下钻和钻孔操作模式两者中的连续或近连续操作。这在本文大体上称为集成控制系统或ICS。ICS是冗余数字控制器，其可经编程为对钻孔设备的所有功能具有且施加控制。或者，ICS可经编程以仅控制操作的某些方面(如果这被视为合意的)。另外，ICS与在钻孔过程中使用的所有驱动系统集成(绞车、泥浆泵、转矩扳手等等)以允许完全自动化操作。ICS另外被提供用于监视各种井参数以允许基于井条件而自动控制例如起下钻速度和穿透率等等的传感器信息。ICS还可被提供来自运动反馈装置的信号以允许将有效升沉控制并入到自动钻孔过程中。ICS的主要组件是控制模块的集成阵列，其经由冗余网络连接到所有必要的输入/输出节点以致动所有机器且读取所有传感器。硬件将符合(或超过)根据IEC 61508的安全完整性水平3(图3)。

在ICS中，两个或两个以上控制模块在冗余模式中操作，其中在作用中与备用控制器之间具有“无波动”传送。存在控制模块的若干合适的物理实施方案，包含但不限于高性能工业可编程逻辑控制器，例如高性能工业PC、高性能单板计算机等等。对控制模块的要求包含：在合适时间周期内执行所有必要控制算法的足够处理能力，以足够带宽和足够低等待时间连接到系统上的所有其它节点(参见下文关于网络的论述)(包含到冗余阵列中的其它控制模块的连接)的足够网络连接性，以及合适编程工具以适合于工业控制和自动化应用的方式实施控制系统的可用性。

ICS还包含具有冗余操作的两个或两个以上网络物理层。取决于所需的带宽和等待时间，网络可使用“多支路”或“星型”拓扑，或与多分支到减少数目的节点的每一网络支线的组合。存在冗余网络的若干合适的物理实施方案，包含但不限于过程现场总线(PROFIBUS)或基于以太网(Modbus TCP、EtherCAT、ProfiNET)。对网络的要求是足够的带宽和足够低的等待时间以在与所有控制序列和闭环控制功能的所需动态响应一致的时间周期内交换所有所需数据，确定性时序以允许确定所有序列响应时间和闭环性能，与油田操作环境一致的严格物理实施方案，与油田操作环境一致的严格电特性(ESD、EMC等等)，以及充分的数据保护和/或数据冗余以确保系统的操作不受数据破坏的损害。

表1描述控制节点：

表1

关于ICS数据描述，ICS的网络上的节点中的每一者与控制模块交换传感器反馈和/或致动器控制信号。表2详细描述在一个实施例中针对网络上的主要节点中的每一者可交换的信息。所属领域的技术人员将了解，更多或更少信息可输入、收集或获得、存储在存储器中，和/或发送或发射到各种控制节点或从各种控制节点发送或发射，如给定应用中可能需要。

表2

在一个实施例中，ICS是具有存储器和计算机软件的计算机，所述计算机软件经编程以对以下功能具有直接控制：降低/升高升降机构(例如，绞车)的速率；管的旋转速率；在管的连接和断开期间旋转器旋转的速率；FCS的连接和断开，包含TDR上的钻孔流体控制阀；机架臂和其它管处置设备的移动；在从钻孔管添加和移除管架时由机架臂施加到管架的力；在钻孔期间的绞车控制参数-“钻压”和/或“穿透率”；在有效升沉补偿期间的绞车控制参数，在“固定到底部”和“未固定到底部”模式中(和在模式转变期间)；泥浆泵速度；以及FDS。

ICS能够以用于传统钻孔控制的正常钻机输入(例如，钻压、穿透率、起下钻速率等等)来操作。另外，ICS能够基于井条件监视(例如，流体压力、泥浆添加速率)确定这些参数的最佳设定，其中操作者设定的参数用作上限。ICS还实施例如有效升沉补偿和碰撞避免等功能。由于ICS对所有钻孔设备具有直接控制，且被提供来自井的所有可用反馈数据，因此在油井钻孔的科学和技术发展时可增加额外能力。在其完全开发实施方案中，ICS将以完全自动化、智能、自适应方式对井进行起下钻、钻孔和扩孔，从而基于尤其直接从井测量的数据来为其决策和控制操作作为基础。

存在在钻孔过程的不同阶段和条件下需要的许多特定操作序列。下文详细描述三个典型情形的操作序列。第一情形是以连续旋转和近连续泥浆循环从孔移除管，第二情形是钻孔，且第三情形是以最大速度从竖管或套管孔移除管而不需要管的流体循环或旋转。在所描述循环中的每一者的结束时，循环以通道A执行通道B完成的任务来重复，反之亦然。所属领域的技术人员将容易了解，许多其它情形使用本发明是适用的，但多数其它情形大体上是这三种情形的序列的简化或组合。

以连续旋转和近连续泥浆循环移除管

图4A-1、图4A-2和图4B-1、图4B-2展示用于在连续旋转和近连续泥浆循环的情况下以1英尺/秒从孔移除管的一个循环的详细操作序列。图5到21提供当前揭示的钻孔和起下钻系统的一个实施例的“快照”，此时其完成图4A-1、图4A-2和图4B-1、图4B-2所示的操作序列的两个循环。参见图5A，其为恰好在第一TDR 3在钻具接头11下方延伸且接合管8之前在t＝0秒处展示钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图中的相同特征和元件在各图中具有相同的标号。图5A中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图5B中较为可见，其展示在t＝0秒时第一TDR 3的特写图。图5B展示井架9和钻台10的部分、第一绞车2、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、钻具接头11，以及活塞12和枢轴臂14，其缩回且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20和LTW 21。

现在参见图6A，其为在第一TDR 3的旋转器22延伸以接合管8时在t＝5秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图6A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TD R 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图6B中较为可见，其展示在t＝5秒时第一TDR 3的特写图。图6B展示井架9和钻台10的部分、第一绞车2、第一TDR 3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22和泥浆斗23。

现在参见图7A，其为在第一TDR 3的UTW 20缩回时在t＝11秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图7A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图7B中较为可见，其展示在t＝11秒时第一TDR 3的特写图。图7B展示井架9和钻台10的部分、第一绞车2、第一TDR 3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22和泥浆斗23。

现在参见图8A，其为在第一TDR 3的泥浆斗23关闭时在t＝14秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图8A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图8B中较为可见，其展示在t＝14秒时第一TDR 3的特写图。图8B展示井架9和钻台10的部分、第一绞车2、第一TDR 3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含LTW 21、旋转器22和泥浆斗23。

现在参见图9A，其为在旋转器22断开管8时在第一TDR 3的泥浆斗23提取泥浆时在t＝19秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图9A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图9B中较为可见，其展示在t＝19秒时第一TDR 3的特写图。图9B展示井架9和钻台10的部分、第一TDR3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含LTW 21、旋转器22和泥浆斗23。

现在参见图10A，其为在第一TDR 3的泥浆斗23缩回时在t＝24秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图10A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图10B中较为可见，其展示在t＝24秒时第一TDR 3的特写图。图10B展示井架9的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、钻具接头11，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含LTW 21、旋转器22和泥浆斗23。

现在参见图11A，其为在机架臂6移除架18(管8的断开区段)时在t＝26秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图11A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图11B中较为可见，其展示在t＝26秒时第一TDR 3的特写图。图11B展示井架9的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、架18、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含LTW 21、旋转器22和泥浆斗23。

现在参见图12A，其为在第一TDR 3的FCS 24接合旋转的管8时在t＝32秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图12A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图12B中较为可见，其展示在t＝32秒时第一TDR 3和第二TDR 5的特写图。图12B展示井架9的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、第二TDR 5、第二移动台车15、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS24。

现在参见图13A，其为在密封后泥浆流开始时在t＝36秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图13A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图13B中较为可见，其展示在t＝36秒时第一TDR 3的特写图。图13B展示井架9的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、管架7，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图14A，其为在以旋转和泥浆流拉动管8时在t＝45秒处钻孔和起下钻系统的一个实施例的示意图。图14A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图14B中较为可见，其展示在t＝45秒时第一TDR 3的特写图。图14B展示井架9的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、管架7，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图15A，其为在第二TDR 5接合管8的下一钻具接头11时在t＝77秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图15A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图15B中较为可见，其展示在t＝77秒时第一TDR 3的特写图。图15B展示井架9的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、管架7，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图16A，其为在第二TDR 5接管管8的重量负载和旋转时在t＝81秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图16A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图16B中较为可见，其展示在t＝81秒时第一TDR 3的特写图。图16B展示井架9的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、管架7，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图17A，其为在第一TDR 3的流体连接系统24脱离时在t＝92秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图17A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图17B中较为可见，其展示在t＝92秒时第一TDR 3的特写图。图17B展示井架9的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、管架7，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图18A，其为在第一TDR 5开始从管缩回时在t＝95秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图18A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图18B中较为可见，其展示在t＝95秒时第一TDR 3的特写图。图18B展示井架9的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、管架7，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图19A，其为在机架臂6移除管8的架18的同时第一TDR 3使井架9下降时在t＝103秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图19A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3和第二TDR 5的特征在图19B中较为可见，其展示在t＝103秒时第一TDR 3和第二TDR 5的特写图。图19B展示井架9的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、架18、管架7、活塞12和枢轴臂14，其缩回且附接到第一TDR 3和第一移动台车13，第二TDR 5、第二移动台车15，以及第二活塞16和第二枢轴臂17，其延伸且附接到第二TDR 5和第二移动台车15。可见的第一TDR 3的特征包含UTW20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24，可见的第二TDR 5的特征包含第二旋转器32、第二泥浆斗33和第二FCS 34。

现在参见图20A，其为在第二TDR 5拉动且旋转管8时在t＝115秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图20A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图20B中较为可见，其展示在t＝115秒时第一TDR 3的特写图。图20B展示井架9和钻台10的一部分、第一绞车2、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、钻具接头11，以及活塞12和枢轴臂14，其缩回且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图21A，其为在第一TDR 3回到开始位置中等待管8的下一钻具接头11时在t＝129秒处钻孔和起下钻系统的一个实施例的示意图。图21A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图21B中较为可见，其展示在t＝129秒时第一TDR 3的特写图。图21B展示井架9和钻台10的一部分、第一绞车2、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、钻具接头11，以及活塞12和枢轴臂14，其缩回且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

钻孔

图22A-1、图22A-2和图22B-1、图22B-2展示以1英尺/秒进行钻孔的一个循环的详细操作序列。图23到42提供当前揭示的钻孔和起下钻系统的一个实施例的“快照”，此时其完成图22A-1、图22A-2和图22B-1、图22B-2所示的操作钻孔序列的两个循环。参见图23A，其为在第一TDR 3正在钻孔、旋转且降低管8并循环泥浆时在t＝1秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图23A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图23B中较为可见，其展示在t＝1秒时第一TDR 3的特写图。图23B展示钻台10的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图24A，其为在管8到达钻台10、穿透停止且泥浆阀关闭时在t＝8秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图24A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图24B中较为可见，其展示在t＝8秒时第一TDR 3的特写图。图24B展示钻台10的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图25A，其为在第一TDR 3的流体连接系统24缩回且第一TDR 3的泥浆斗23打开时在t＝19秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图25A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图25B中较为可见，其展示在t＝19秒时第一TDR 3的特写图。图25B展示钻台10的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS24。

现在参见图26A，其为在第一TDR 3的旋转器22和UTW 20接合的同时在机架臂6插入新架18时在t＝23秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图26A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图26B中较为可见，其展示在t＝23秒时第一TDR 3的特写图。图26B展示钻台10的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、架18，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图27A，其为在第一TDR 3的旋转器22和UTW 20将新架18连接到管8时在t＝26秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图27A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图27B中较为可见，其展示在t＝26秒时第一TDR 3的特写图。图27B展示钻台10的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、架18，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图28A，其为在第一TDR 3的旋转器22和UTW 20脱离时在t＝30秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图28A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图28B中较为可见，其展示在t＝30秒时第一TDR 3的特写图。图28B展示钻台10的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图29A，其为在第二TDR 5在井架9的顶部处与管8接合时在t＝34秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图29A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图29B中较为可见，其展示在t＝34秒时第一TDR 3的特写图。图29B展示钻台10的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图30A，其为在第一TDR 3从井中心缩回时在t＝36秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图30A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图30B中较为可见，其展示在t＝36秒时第一TDR 3的特写图。图30B展示钻台10的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图31A，其为在第一TDR 3提升到井架的顶部时在t＝43秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图31A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图31B中较为可见，其展示在t＝43秒时第一TDR 3的特写图。图31B展示钻台10的一部分、第一TDR 3、第一移动台车13、管8、钻具接头11，以及活塞12和枢轴臂14，其缩回且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22和泥浆斗23。

现在参见图32A，其为在钻孔经由第二TDR 5继续时在t＝50秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图32A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3和第二TDR 5的特征在图32B中较为可见，其展示在t＝50秒时第一TDR 3和第二TDR 5的特写图。图32B展示第一TDR 3、第一移动台车13、活塞12和枢轴臂14，其缩回且附接到第一TDR 3和第一移动台车13，第二TDR 5、第二移动台车15，以及第二活塞16和第二枢轴臂17，其延伸且附接到第二TDR 5和第二移动台车15。可见的第一TDR 3的特征包含FCS 24，且可见的第二TDR 5的特征包含第二FCS 34。

现在参见图33A，其为在第二TDR 5到达钻台10且穿透停止时在t＝129秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图33A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第二TDR 5的特征在图33B中较为可见，其展示在t＝129秒时第二TDR 5的特写图。图33B展示第二TDR 5、第二移动台车15，以及第二活塞16和第二枢轴臂17，其延伸且附接到第二TDR 5和第二移动台车15。可见的第二TDR 5的特征包含第二UTW 30、第二LTW 31、第二旋转器32、第二泥浆斗33和第二FCS 34。

现在参见图34A，其为在机架臂6带入下一架的同时在第二TDR 5断开时在t＝146秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图34A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第二TDR 5的特征在图34B中较为可见，其展示在t＝146秒时第二TDR 5的特写图。图34B展示第二TDR 5、第二移动台车15，第二绞车4、管8，以及第二活塞16和第二枢轴臂17，其延伸且附接到第二TDR 5和第二移动台车15。可见的第二TDR 5的特征包含第二UTW 30、第二LTW 31、第二旋转器32、第二泥浆斗33和第二FCS 34。

现在参见图35A，其为在第二TDR 5将新架18连接到管8时在t＝152秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图35A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第二TDR 5的特征在图35B中较为可见，其展示在t＝152秒时第二TDR 5的特写图。图35B展示第二TDR 5、第二移动台车15，第二绞车4、架18、管8，以及第二活塞16和第二枢轴臂17，其延伸且附接到第二TDR 5和第二移动台车15。可见的第二TDR 5的特征包含第二UTW 30、第二LTW 31、第二旋转器32、第二泥浆斗33和第二FCS34。

现在参见图36A，其为在第一TDR 3接合新架18的顶部时在t＝162秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图36A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图36B中较为可见，其展示在t＝162秒时第一TDR 3的特写图。图36B展示第一TDR 3、第一移动台车13、架18，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图37A，其为在第一TDR 3拾取管8的重量和旋转负载且接合流体连接系统24时在t＝165秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图37A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图37B中较为可见，其展示在t＝165秒时第一TDR 3的特写图。图37B展示第一TDR 3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图38A，其为在第二TDR 5已缩回且第一TDR 3正在钻孔时在t＝170秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图38A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图38B中较为可见，其展示在t＝170秒时第一TDR 3的特写图。图38B展示第一TDR 3、第一移动台车13、管8、机架臂6，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图39A，其为在第二TDR 5升高到井架9的顶部时在t＝175秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图39A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图39B中较为可见，其展示在t＝175秒时第一TDR 3的特写图。图39B展示第一TDR 3、第一移动台车13、管8、机架臂6，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图40A，其为在机架臂6定位下一架18时在t＝185秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图40A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3和第二TDR 5的特征在图40B中较为可见，其展示在t＝185秒时第一TDR 3和第二TDR 5的特写图。图40B展示第一TDR 3、第一移动台车13、管8、活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13，第二TDR 5、第二移动台车15，以及第二活塞16和第二枢轴臂17，其缩回且附接到第二TDR 5和第二移动台车15。

现在参见图41A，其为在第一TDR 3继续钻孔时在t＝210秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图41A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图41B中较为可见，其展示在t＝210秒时第一TDR 3的特写图。图41B展示第一TDR 3、第一移动台车13、管8、机架臂6，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW 20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

现在参见图42A，其为在第一TDR 3到达钻台10且循环重复时在t＝250秒处钻孔和起下钻系统1的一个实施例的示意图。图42A中再次展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、井架9、井架9的钻台10，以及钻具接头11。第一TDR 3的特征在图42B中较为可见，其展示在t＝250秒时第一TDR 3的特写图。图42B展示第一TDR 3、第一移动台车13、管8，以及活塞12和枢轴臂14，其延伸且附接到第一TDR 3和第一移动台车13。可见的第一TDR 3的特征包含UTW20、LTW 21、旋转器22、泥浆斗23和FCS 24。

在无管的流体循环或旋转的情况下移除管

图43A-1、图43A-2和图43B-1、图43B-2展示用于在不需要管的流体循环或旋转的情况下以3英尺/秒从竖管或套管孔移除管的一个循环的详细操作序列。图44到54提供当前揭示的钻孔和起下钻系统的一个实施例的“快照”，此时其完成图43A-1、图43A-2和图43B-1、图43B-2所示的操作钻孔序列的两个循环。参见图44，展示在第一TDR 3正在从孔拉动管8时在t＝0秒处钻孔和起下钻系统1的示意性表示。图44中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、钻具接头11、井架9，以及井架9的钻台10。

参见图45，展示在第一TDR 3正在断开顶部架18时在t＝2秒处钻孔和起下钻系统1的示意性表示。图45中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、架18、钻具接头11、井架9，以及井架9的钻台10。

参见图46，展示在第一TDR 3断开顶部架18的同时在机架臂6控制顶部架18时在t＝6秒处钻孔和起下钻系统1的示意性表示。图46中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、架18、钻具接头11、井架9，以及井架9的钻台10。

参见图47，展示在第二TDR 5使井架下降时在t＝9秒处钻孔和起下钻系统1的示意性表示。图47中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、架18、钻具接头11、井架9，以及井架9的钻台10。

参见图48，展示在第一TDR 3已完成断开顶部架18且机架臂6将顶部架18移动到管架7时在t＝19秒处钻孔和起下钻系统1的示意性表示。图48中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、架18、钻具接头11、井架9，以及井架9的钻台10。

参见图49，展示在机架臂6返回到开始位置时在t＝26秒处钻孔和起下钻系统1的示意性表示。图49中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、钻具接头11、井架9，以及井架9的钻台10。

参见图50，展示在第二TDR 5接合下一钻具接头11时在t＝27秒处钻孔和起下钻系统1的示意性表示。图50中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、钻具接头11、井架9，以及井架9的钻台10。

参见图51，展示在第二TDR 5拾取管8的重量且第一TDR 3缩回时在t＝32秒处钻孔和起下钻系统1的示意性表示。图51中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、钻具接头11、井架9，以及井架9的钻台10。

参见图52，展示在第一TDR 3使井架下降的同时在第二TDR 5断开钻具接头11时在t＝36秒处钻孔和起下钻系统1的示意性表示。图52中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、钻具接头11、井架9，以及井架9的钻台10。

参见图53，展示在第二TDR 5已断开架18且机架臂6将架18移动到管架7时在t＝49秒处钻孔和起下钻系统1的示意性表示。图53中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、架18、钻具接头11、井架9，以及井架9的钻台10。

参见图54，展示在循环重复时在t＝60秒处钻孔和起下钻系统1的示意性表示。图54中展示第一绞车2、安装在第一移动台车13上的第一TDR 3、第二绞车4、安装在第二移动台车15上的第二TDR 5、机架臂6、管架7、管8、钻具接头11、井架9，以及井架9的钻台10。

现在参见图55，展示所揭示钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意性表示。在此特定实施例中，钻孔和起下钻系统100包含第一绞车110(本文也称为第一TDR绞车)、第二绞车111(本文也称为第二TDR绞车)、游动差钻器(TDR)112、第三绞车113(本文也称为顶部驱动绞车)、顶部驱动器114、管114a、机架臂115、存储架116，以及具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117。图55还展示井架118、导轨118a和井架118的钻台119。所属领域的技术人员将了解，可包含系统100作为尤其用于岸上或海上操作的钻机的部分。

所揭示钻孔和起下钻系统100包含两个或两个以上协调的自动控制升降系统，其能够提升和/或降低管的额定重量，具有任何所需的过拉力和安全因数。此升降系统可为如图55所示的传统绞车(例如，绞盘)，但在其它实施例(未图示)中，升降系统可为液压油缸、齿条齿轮系统、高负载线性马达或能够升降所需重量的任何其它装置。图55所示的钻孔和起下钻系统的实施例包括三个升降系统，两个(第一绞车110和第二绞车111)支撑TDR 112，且第三个(第三绞车113)支撑顶部驱动器114。每一升降系统包括常规交流(AC)齿轮驱动的绞车和天车/动滑轮起重机配置。两个TDR升降系统110和111由集成控制系统或ICS(参见下文和图58)同步以使得其一致地移动。TDR 112和顶部驱动器114运行所沿着的导轨118a配备有测量其在钻台119上方的距离的传感器(未图示)。由传感器获得的信息可馈送到ICS。这允许ICS准确地控制顶部驱动器114和TDR 112的垂直位置和速率。三个天车(117a、117b和117c)任选地安装在液压激活的平台117上，所述平台结合运动传感器和运动控制器允许有效升沉补偿。

在图55中描绘的钻孔和起下钻系统100的实施例中，所揭示钻孔和起下钻系统还包含顶部驱动器114，其永久连接到短长度的管(114a，延伸保护接头)，所述管可由上述升降系统提升和降低。顶部驱动器114执行以下功能：在钻孔和后扩孔操作期间使管旋转；在旋转同时且以连续垂直运动辅助构成和卸开保护接头与管之间的接头；以及将钻孔流体从钻孔流体系统引导到管中。顶部驱动器114可为常规直接驱动、AC马达供电单元。这配备有延伸的保护接头114a，其足够长以通过TDR 112的顶部进入泥浆斗(图55中未图示，参见例如图56和图57)。顶部驱动器114在附接到井架118的导轨118a上运行，所述导轨提供钻孔时的反作用转矩，且将其运动限于井中心。

在图55中描绘的钻孔和起下钻系统100的实施例中，所揭示钻孔和起下钻系统还包含一或多个管处置和存储系统，其允许架在其通过TDR连接到管时从合适的存储架朝向井中心移动，且在其通过TDR断开时使其移动回到存储架。在管处于连续旋转和垂直运动中的情况下可实施所有这些动作。如图55中描绘，此系统的主要组件是机架臂115，且还包含存储架116，但在其它实施例(未图示)中，可包含额外机架臂和/或管架。机架臂115是以可夹持到架上的抓持器以液压方式操作。这些抓持器提供足够的夹持力以在顶部驱动器114构成和卸开架与保护接头之间的接头时提供反作用扭矩。臂可在水平平面中移动，从而允许架从井架移动到井中心。臂还在垂直轴上移动，从而允许甚至在顶部驱动器正在移动的同时构成或卸开接头。存储架116位于井架118上，使得架靠近于其加载到顶部驱动器114中或从顶部驱动器卸载的位置。所揭示钻孔和起下钻系统100还包含钻孔流体转向系统(图55中不可见)，其使用阀系统将流体流引导到顶部驱动器114和TDR 112的泥浆斗(参见图56和图57)。这允许仅顶部驱动器114接收流体，仅TDR 112接收流体，或两者均不接收。在后一情况下，流体循环回到泥浆罐(未图示)，从而除去停止泥浆泵(未图示)的需要。

在图55中描绘的钻孔和起下钻系统100的实施例中，所揭示钻孔和起下钻系统还包含自动控制工具，称为游动差钻器112，也由上述升降系统提升和降低。TDR实施许多功能，包含：旋转管以进行钻孔和后扩孔操作；在管架之间构成和卸开接头；在顶部驱动器保护接头与管之间构成卸开接头；当管正在旋转且处于连续垂直运动中时对准和连接管架；当管正在旋转且处于连续垂直运动中时断开和移除架；在从管添加和移除架时将钻孔流体从钻孔流体系统引导到管中以允许近连续流体流动；包含和返回过量钻孔流体到钻孔流体系统；以及清洁和预处理管螺纹。

示意性地，在图56中展示TDR 112。TDR 112包含支撑框架120，其固持TDR 112的组件且附接到升降系统110和111。通过辊(未图示)将框架120限于仅在垂直方向上移动而不旋转，所述辊与附接到井架118的导轨118a接合。TDR 112还包含下部旋转转矩扳手121或LTW，其为电或液压供电扳手，其接合在钻具接头的底部半部上且用以在钻孔和后扩孔操作期间使管旋转，且提供构成或卸开保持于静止泥浆斗124内的钻具接头所必要的转矩。下部转矩扳手121还将钻孔管的重量运载回到支撑框架和升降系统。LTW 121的主要组件是：环形齿轮，具有“门”，其可打开以产生喉部，允许扳手在水平轴上接合和脱离管(当此“门”关闭时环形齿轮为完整的360°齿轮环)；一或多个马达(液压或电动)，用于驱动耦合到环形齿轮的小齿轮(这些马达的功率和速度额定值以及环形齿轮与小齿轮的齿轮比是基于钻孔应用的转矩和速度要求来确定)；以及多个凸轮锁爪，其可从管耦合和解耦。下部转矩扳手121使用液压操作的爪恰在钻具接头下方接合在管的管区段上。这些爪提供在支撑钻孔管的重量的同时传输钻孔和构成/卸开转矩所需的抓持。所述爪具有足够长度以实现必要夹持压力而不损坏管。通过小齿轮和环形齿轮驱动爪的一或多个电动马达提供旋转转矩。这些马达的功率和速度额定值以及环形齿轮与小齿轮的齿轮比是基于钻孔应用的转矩和速度要求确定的。

TDR 112还包含上部旋转转矩扳手122或UTW，其为液压供电扳手，其接合在钻具接头的顶部半部上且用以在管正旋转时和静止时提供在静止泥浆斗124中连接和断开钻具接头所必要的转矩。不同于LTW 121，UTW 122在此实施例中不提供钻孔或后扩孔转矩，且不支撑钻孔管的重量。尽管要求存在差异，但UTW 122的主要组件与LTW 121相同，具有液压操作的爪和用于旋转的电驱动。上部转矩扳手122通过浮动机构123附接到支撑框架120。此机构为液压操作的，且允许在构成或卸开接头时以受控方式打开或关闭钻具接头。

另外，TDR 112还包含三腔室泥浆斗130，其为可用以在每当预期钻孔流体的流出时围绕钻具接头关闭的容器。示意性地，在图57中展示泥浆斗130。泥浆斗130包括上部旋转腔室125、中间静止腔室124和下部旋转腔室126，其各自可含有钻具接头的一半。腔室124、125和126可由安装在中间静止腔室124中的液压操作的全封闭柱塞131分离，所述全封闭柱塞可关闭以防止钻孔流体在上部腔室125与下部腔室126之间流动。液压致动的上部管柱塞132和下部管柱塞133可围绕钻管关闭且保持泥浆斗内的泥浆，或打开足够宽以允许钻具接头穿过。上部管柱塞132和下部管柱塞133中的每一者分别以对应的上部转矩扳手122和下部转矩扳手121旋转，使得其相对于管为静止的。泥浆斗130还包括上部密封件134和下部密封件135，其防止泥浆逸出到环境且可成对提供以在故障情况下提供冗余。泥浆斗130还包括回转环136，用以将上部腔室125、中间腔室124和下部腔室126固持在一起。泥浆斗130的中间腔室124含有端口137，允许泥浆被泵送到腔室中或真空排出腔室。而且，真空系统(未图示)允许钻孔流体从泥浆斗130快速移除且返回到流体处置系统。而且，泥浆斗130具有必要的洗涤和空气系统以从将连接的螺纹清洁钻孔流体，以及用于将“管涂料”分配到将连接的螺纹上的系统。

所揭示钻孔和起下钻系统100还包含集成冗余控制系统，具有若干传感器和致动器，可用以用同步方式控制所有上述子系统以促进起下钻和钻孔操作模式两者中的连续或近连续操作。这在本文基本上称为集成控制系统或ICS。ICS是冗余数字控制器，其可经编程为对钻孔设备的所有功能具有且施加控制。或者，ICS可经编程以仅控制操作的某些方面(如果这被视为合意的)。另外，ICS可与在钻孔过程中使用的一些或所有驱动系统集成(绞车、泥浆泵、转矩扳手等等)以允许部分或完全自动化操作。ICS另外具备用于监视各种井参数以允许基于井条件而自动控制例如起下钻速度和穿透率等等的传感器信息。集成控制系统可具有以下钻孔功能的直接控制：升降系统的降低/升高的位置和速率；在钻孔和后扩孔期间管的旋转速率；管的连接和断开；经由泥浆泵速度和钻孔流体转向系统的钻孔流体循环；机架臂和其它管处置设备的操作；在钻孔期间的控制参数，例如，钻压或穿透率；在固定到底部和未固定到底部模式中(和在模式转变期间)在有效升沉补偿期间的控制参数。图58中说明控制概念。

ICS提供对应于不同程度的钻孔系统自动化的不同操作等级，本文称为等级1(钻机输入)、等级2(自动钻孔)和等级3(全自主)。在等级1中，ICS提供类似于传统钻孔控制上使用的工具。此处，钻机可提供输入，例如钻压、穿透率、起下钻速率和类似输入。不同于传统控制的情况，钻机不必牵涉到连接和断开架。ICS自动地对各种子系统进行定序以确保从井架取得架且在需要时与管构成，或从管卸开且放回到井架中。另外，按需要通过操作来维持旋转和钻孔流体流。事实上，似乎钻机好像正在以一个连续管无中断地操作。在等级2中，ICS接管由钻机正常执行的功能中的一些。这些包含基于井条件传感器自动调整钻孔参数(例如，流体压力、流体流的速率)以优化穿透率且消除振动。ICS还提供例如在提离底部或释放卡住的钻头之前自动松开钻柱。在等级3中，ICS将以完全自动化、智能、自适应方式对井进行起下钻、钻孔和扩孔，其决策基于调查数据、高级计划信息以及直接从井测量的数据。由于在此模式中控制系统对所有钻孔设备具有直接控制，且被提供来自井的反馈数据，因此在油井钻孔的科学和技术发展时可增加额外能力。

集成控制系统的主要组件是一组控制模块，经由冗余网络连接到若干控制节点。每一控制节点提供经由致动器和传感器对钻孔系统机器的特定部分的接达。硬件将符合(或超过)根据IEC 61508的安全完整性水平3。图59中说明硬件布局。

在ICS中，两个或两个以上控制模块在冗余模式中操作，其中在作用中与备用控制器之间具有“无波动”传送。存在控制模块的若干合适的物理实施方案，包含但不限于高性能工业可编程逻辑控制器，例如高性能工业PC、高性能单板计算机等等。对控制模块的要求包含：在合适时间周期内执行所有必要控制算法的足够处理能力，以足够带宽和足够低等待时间连接到系统上的所有其它控制模块和节点(参见下文关于网络的论述)(包含到冗余阵列中的其它控制模块的连接)的足够网络连接性，以及合适编程工具以适合于工业控制和自动化应用的方式实施控制系统的可用性。

在此实施例中ICS还包含具有冗余操作的两个或两个以上网络物理层。取决于所需的带宽和等待时间，每一网络可使用“多支路”或“星型”拓扑，或与多分支到减少数目的节点的每一网络支线的组合。存在冗余网络的若干合适的物理实施方案，包含但不限于过程现场总线(PROFIBUS)或基于以太网(Modbus TCP、EtherCAT、ProfiNET)。对网络的要求是足够的带宽和足够低的等待时间以在与所有控制序列和闭环控制功能的所需动态响应一致的时间周期内交换所有所需数据，确定性时序以允许确定所有序列响应时间和闭环性能，与油田操作环境一致的严格物理实施方案，与油田操作环境一致的严格电特定(ESD、EMC等等)，以及充分的数据保护和/或数据冗余以确保系统的操作不受数据破坏的损害。

用于本文描述的钻孔系统100的一个实施例的控制节点在表3中列出。

表3

关于ICS数据描述，ICS的网络上的节点中的每一者与控制模块交换传感器反馈和/或致动器控制信号。表4详细描述在一个实施例中可与网络上的控制节点中的每一者交换的信息。所属领域的技术人员将了解，更多或更少信息可输入、收集或获得、存储在存储器中，和/或发送或发射到各种控制节点或从各种控制节点发送或发射，如给定应用中可能需要。

表4

许多特定操作序列存在在钻孔过程的不同阶段和条件下通常是重要的。下文详细描述三个典型情形的通常操作序列。第一情形以1英尺/秒钻孔，例如以连续旋转和流体循环将管添加到孔，第二情形以1英尺/秒后扩孔，例如以连续旋转和流体循环从孔移除管，且第二情形是以3英尺/秒起钻，例如从竖管或套管孔移除管而不需要流体循环或管旋转。在所描述循环中的每一者的结束处，循环重复。所属领域的技术人员将容易了解，许多其它情形使用本发明是适用的，但多数其它情形大体上是这三种情形的序列的简化或组合。

以1英尺/秒钻孔

图60到图71提供当前揭示的钻孔和起下钻系统100的一个实施例的“快照”，此时其完成以1英尺/秒钻孔的一个循环。图60展示t＝0时的开始状态。顶部驱动器114处于最高位置，且TDR 112的下部转矩扳手121支撑钻孔管127的重量且使其旋转。为便于表示，将泥浆斗130描绘为具有：上部部分124'，其包含中间腔室124的高于全封闭柱塞131和上部腔室125的部分；以及下部部分124”，其包含中间腔室124的低于全封闭柱塞131和下部腔室126的部分。泥浆斗130的全封闭柱塞131和下部管柱塞133关闭，且流体通过泥浆斗130的下部部分124”泵送到管127中。机架臂115固持新的管架128且处于准备好接近顶部驱动器114的位置。安装在框架120上的TDR 112以1英尺/秒的所需钻孔速率降低。顶部驱动器114的顶部驱动器浮动机构(未图示)缩回，且上部转矩扳手122的浮动机构123延伸。图60中展示第一绞车110、第二绞车111、第三绞车113、保护接头114a、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及泥浆斗130的上部部分124'。

参见图61，其为在以1英尺/秒钻孔时在t＝3秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。机架臂115在保护接头114a下方移动新管架128的顶部接头。顶部驱动器浮动机构(未图示)施加插入力且顶部驱动器114构成保护接头114a与架128之间的接头。图61中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含LTW 121、UTW 122、浮动机构123的TDR 112、包含上部部分124'、下部部分124”、全封闭柱塞131和下部管柱塞133的泥浆斗130、第三绞车113、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及钻孔管127。

参见图62，其为在以1英尺/秒钻孔时在t＝17秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。机架臂115撤回到安全距离且随后开始从准备好下一循环的机架(未图示)获取新架128的新循环。顶部驱动器114向下加速以追上安装在框架120上的TDR 112。同时，顶部驱动器114旋转达到钻孔速度且顶部驱动器浮动机构(未图示)缩回。此继续直到新架的底部接头插入到泥浆斗130的上部部分124'中为止。在此点，顶部驱动器114的运动在垂直速率和旋转速度两者上匹配于TDR 112的运动。图62中也展示第一绞车110、第二绞车111、LTW 121、UTW 122、浮动机构123、泥浆斗130的下部部分124”、全封闭柱塞131和下部管柱塞133、第三绞车113、保护接头114a、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及钻孔管127。

参见图63，其为在以1英尺/秒钻孔期间在t＝21秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。上部管柱塞132在新管架128周围关闭，且流体转向系统引导流体通过顶部驱动器114，从而填充架和泥浆斗130。一旦泥浆斗130加压，全封闭柱塞便打开(因此在图63中不可见)，从而接合泥浆斗130的上部部分124'和下部部分124”。图62中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含LTW 121、UTW 122、浮动机构123的TDR 112、泥浆斗130的下部管柱塞133、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及钻孔管127。

参见图64，其为在以1英尺/秒钻孔期间在t＝25秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。上部转矩扳手122接合在新管架128上。顶部驱动器浮动机构(未图示)随后施加插入力且顶部驱动器114增加速度以构成新架128与钻孔管127之间的接头。图64中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含LTW 121、浮动机构123的TDR112、包含上部部分124'、下部部分124”、上部管柱塞132和下部管柱塞133的泥浆斗130、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

参见图65，其为在以1英尺/秒钻孔期间在t＝26秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。上部转矩扳手122和下部转矩扳手121脱离，将钻孔管127的重量传递到顶部驱动器114。钻孔流体从泥浆斗130真空排出，且泥浆斗130的上部管柱塞(因此在图65中不可见)和下部管柱塞(因此在图65中不可见)打开。TDR 112现在从钻孔管127完全脱离。图65中也展示第一绞车110、第二绞车111、框架120、浮动机构123、泥浆斗130的上部部分124'和下部部分124”、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

参见图66，其为在以1英尺/秒钻孔期间在t＝56秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。在顶部驱动器114向下实行钻孔的同时，TDR 112提升到准备好从顶部驱动器114取回钻孔管127的位置。一旦保护接头114a接头开始进入TDR 112，TDR 112便向下加速以与顶部驱动器114匹配运动。图65中也展示第一绞车110、第二绞车111、框架120、LTW121、UTW 122、浮动机构123、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119、新管架128，以及钻孔管127。

参见图67，其为在以1英尺/秒钻孔期间在t＝56秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。上部转矩扳手122和下部转矩扳手121在保护接头114a接头上方和下方接合，且泥浆斗130的上部管柱塞132和下部管柱塞133关闭。应注意，两个扳手在整个钻孔循环中旋转以避免损坏管。图66中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含浮动机构123的TDR 112、泥浆斗130的上部部分124'和下部部分124”、第三绞车113、顶部驱动器114、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119、新管架128，以及钻孔管127。

参见图68，其为在以1英尺/秒钻孔期间在t＝57秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。流体转向系统(未图示)将流体引导到泥浆斗130的下部部分124”中。在上部转矩扳手122和下部转矩扳手121卸开接头时，顶部驱动器114和上部转矩扳手122浮动机构将分隔力施加于接头。图68中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的TDR112、浮动机构123、泥浆斗130的上部部分124'、上部管柱塞132和下部管柱塞133、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119、新管架128，以及钻孔管127。

参见图69，其为在以1英尺/秒钻孔期间在t＝60秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。上部转矩扳手122脱离。TDR 112现在运载钻孔管127的重量。全封闭柱塞131关闭，且泥浆从泥浆斗130的上部部分124'和保护接头114a真空排出。图69中也展示第一绞车110、第二绞车111、框架120、LTW 121、浮动机构123、泥浆斗130的下部部分124”、上部管柱塞132和下部管柱塞133、第三绞车113、顶部驱动器114、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及新管架128。

参见图70，其为在以1英尺/秒钻孔期间在t＝63秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。泥浆斗130的上部管柱塞打开(因此在图70中不可见)。顶部驱动器114现在从钻孔管127和TDR 112完全脱离。图70中也展示第一绞车110、第二绞车111、框架120、LTW 121、UTW 122、浮动机构123、包含上部部分124'、下部部分124”、全封闭柱塞131和下部管柱塞133的泥浆斗130、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及新管架128。

参见图71，其为在以1英尺/秒钻孔期间在t＝91秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。顶部驱动器114起重机提升回到最高位置以准备好下一循环，同时TDR112继续向下钻孔。一旦TDR 112起重机已到达正确位置，循环便再次开始。循环已花费100秒且将一个管架馈送到孔中。图71中也展示第一绞车110、第二绞车111、包含LTW 121、UTW122、浮动机构123的框架120、包含上部部分124'、下部部分124”、全封闭柱塞131和下部管柱塞133的泥浆斗130、第三绞车113、顶部驱动器114、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119、新管架128，以及钻孔管127。

以1英尺/秒后扩孔

图72到图83提供当前揭示的钻孔和起下钻系统100的一个实施例的“快照”，此时其完成以1英尺/秒后扩孔的一个循环。图72为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝0秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。考虑后扩孔序列在顶部驱动器114恰准备好从TDR112接收钻孔管127的情况下开始。保护接头114a的末端已恰好进入泥浆斗130的上部部分124'。泥浆斗130的全封闭柱塞131和下部管柱塞133关闭，且流体转向系统(未图示)已通过泥浆斗130的下部部分124”将钻孔流体引导到管127中。机架臂115抓持器是空的，且等待在需要时从顶部驱动器114移除用过的架129。TDR 112正在升高钻孔管127。顶部驱动器114正在以与钻孔管127相同的速度旋转保护接头114a，且其垂直速率匹配于TDR 112的垂直速率。图72中也展示第一绞车110、第二绞车111、包含LTW 121、UTW 122、浮动机构123的框架120、第三绞车113、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

现在参见图73，其为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝4秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。泥浆斗130的上部管柱塞132在保护接头114a周围关闭。流体转向系统(未图示)开始将钻孔流体引导通过顶部驱动器114和保护接头114a，填充泥浆斗130。一旦泥浆斗130加压，全封闭柱塞便打开(因此在图73中不可见)，从而接合泥浆斗130的上部部分124'和下部部分124”。图73中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含LTW 121、UTW 122、浮动机构123的TDR 112、泥浆斗130的下部管柱塞133、第三绞车113、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及钻孔管127。

现在参见图74，其为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝8秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。上部转矩扳手122与保护接头114a接合。顶部驱动器114和上部转矩扳手122浮动机构施加插入力，且上部转矩扳手122构成保护接头114a接头。图74中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含LTW 121、浮动机构123的TDR 112、包含上部部分124'、下部部分124”、上部管柱塞132和下部管柱塞133的泥浆斗130、第三绞车113、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及钻孔管127。

现在参见图75，其为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝9秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。上部转矩扳手122和下部转矩扳手121脱离，且顶部驱动器114取得钻孔管127的重量。钻孔流体从泥浆斗130真空排出，且上部管柱塞和下部管柱塞打开(因此在图75中不可见)。在此点，TDR 112完全脱离。图75中也展示第一绞车110、第二绞车111、包含浮动机构123的框架120、泥浆斗130的上部部分124'和下部部分124”、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

现在参见图76，其为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝35秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。在顶部驱动器114起重机继续从孔拉动钻孔管127的同时TDR 112移动到其最低位置。图76中也展示第一绞车110、第二绞车111、包含LTW 121、UTW 122、浮动机构123的框架120、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

现在参见图77，其为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝38秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。系统等待直到待移除的下一已使用架的底部接头开始进入TDR112为止。TDR 112随后与顶部驱动器114匹配垂直速率。图77中也展示第一绞车110、第二绞车111、包含LTW 121、UTW 122、浮动机构123的框架120、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及钻孔管127。

现在参见图78，其为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝39秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。泥浆斗130的上部管柱塞132和下部管柱塞133关闭，且上部转矩扳手122和下部转矩扳手121在接头的任一侧与管127接合。图78中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含浮动机构123的TDR 112、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、顶部驱动器114、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

现在参见图79，其为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝40秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。顶部驱动器114和上部转矩扳手浮动机构施加分隔力，且上部转矩扳手122卸开接头。流体转向系统(未图示)将钻孔流体引导到泥浆斗130中。图79中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含LTW 121、浮动机构123的TDR 112、泥浆斗130的上部部分124'、下部部分124”、上部管柱塞132和下部管柱塞133、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119、用过的管架129，以及钻孔管127。

现在参见图80，其为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝43秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。上部转矩扳手122脱离，且泥浆斗130的全封闭柱塞131关闭。流体从泥浆斗130的上部部分124'和保护接头114a真空排出。一旦清除流体，上部管柱塞便打开(因此在图80中不可见)。图80中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含LTW 121、浮动机构123的TDR 112、泥浆斗130的下部部分124”和下部管柱塞133、第三绞车113、顶部驱动器114、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119、用过的管架129，以及钻孔管127。

现在参见图81，其为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝58秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。顶部驱动器114向上加速以使得用过的架129的下端离开TDR 112的顶部。顶部驱动器114随后维持TDR 112上方的此距离。同时，顶部驱动器114停止旋转，且TDR 112继续从孔拉动管127。一旦顶部驱动器114已停止旋转，机架臂115便移入且抓持用过的架129。图81中也展示第一绞车110、第二绞车111、框架120、LTW 121、UTW 122、浮动机构123、包含上部部分124'、下部部分124”、全封闭柱塞131和下部管柱塞133的泥浆斗130、第三绞车113、保护接头114a、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

现在参见图82，其为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝64秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。顶部驱动器114浮动机构施加分隔力，且顶部驱动器114卸开保护接头114a接头。机架臂115撤回用过的架129且随后开始将用过的架129返回到准备好下一循环的管架(未图示)的过程。图82中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含LTW 121、UTW 122、浮动机构123的TDR 112、包含上部部分124'、下部部分124”、全封闭柱塞131和下部管柱塞133的泥浆斗130、第三绞车113、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及钻孔管127。

现在参见图83，其为在以1英尺/秒后扩孔期间在t＝100秒处钻孔和起下钻系统100的一个实施例的示意图。顶部驱动器114向下降低回到准备好下一循环的开始位置。一旦保护接头114a接头进入泥浆斗130，顶部驱动器114便与TDR 112匹配垂直速率，且以与钻孔管127相同的速度开始旋转。顶部驱动器114与TDR 112匹配垂直速率，使得保护接头114a接头停留在泥浆斗130的上部部分124'中。同时，顶部驱动器114以与钻孔管127相同的速度开始旋转。循环现在重复，已花费100秒来从孔移除一个用过的管架129。图83中也展示第一绞车110、第二绞车111、框架120、LTW 121、UTW 122、浮动机构123、泥浆斗130的下部部分124”、全封闭柱塞131和下部管柱塞133、第三绞车113、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

以3英尺/秒起钻

图84到图93提供当前揭示的钻孔和起下钻系统100的一个实施例的“快照”，此时其完成以3英尺/秒起钻的一个循环。图84为在以3英尺/秒起钻期间在t＝0秒处钻孔和起下钻系统100的示意性表示。如同后扩孔，考虑起钻序列在顶部驱动器114恰准备好从TDR 112接收钻孔管127的情况下开始。保护接头114a的末端已恰好进入泥浆斗130的上部部分124'。机架臂115抓持器是空的，且等待在需要时从顶部驱动器114移除用过的架。TDR 112正在升高钻孔管127。顶部驱动器114的垂直速率匹配于TDR 112的垂直速率。图84中也展示第一绞车110、第二绞车111、120、LTW 121、UTW 122、浮动机构123、泥浆斗130的下部部分124”、第三绞车113、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

现在参见图85，其为在以3英尺/秒起钻期间在t＝2秒处钻孔和起下钻系统100的示意性表示。上部转矩扳手122与保护接头114a接合。顶部驱动器114和上部转矩扳手122浮动机构施加插入力，且上部转矩扳手122构成保护接头114a接头。图85中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含LTW 121、浮动机构123的TDR 112、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及钻孔管127。

现在参见图86，其为在以3英尺/秒起钻期间在t＝3秒处钻孔和起下钻系统100的示意性表示。上部转矩扳手122和下部转矩扳手121脱离，且顶部驱动器114取得钻孔管127的重量。在此点，TDR 112完全脱离。图86中也展示第一绞车110、第二绞车111、框架120、浮动机构123、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

现在参见图87，其为在以3英尺/秒起钻期间在t＝11秒处钻孔和起下钻系统100的示意性表示。在顶部驱动器114起重机继续从孔拉动钻孔管127的同时TDR 112移动到其最低位置。图87中也展示第一绞车110、第二绞车111、框架120、LTW 121、UTW 122、浮动机构123、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

现在参见图88，其为在以3英尺/秒起钻期间在t＝13秒处钻孔和起下钻系统100的示意性表示。系统等待直到待移除的下一已使用架的底部接头开始进入TDR 112为止。TDR112随后与顶部驱动器114匹配垂直速率。图88中也展示第一绞车110、第二绞车111、包含LTW 121、UTW 122、浮动机构123的框架120、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及钻孔管127。

现在参见图89，其为在以3英尺/秒起钻期间在t＝14秒处钻孔和起下钻系统100的示意性表示。上部转矩扳手122和下部转矩扳手121在接头的任一侧与管127接合。顶部驱动器114和上部转矩扳手122浮动机构施加分隔力，且上部转矩扳手122卸开接头。图89中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含浮动机构123的TDR 112、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及用过的管架129。

现在参见图90，其为在以3英尺/秒起钻期间在t＝16秒处钻孔和起下钻系统100的示意性表示。上部转矩扳手122脱离。TDR 112现在支撑钻孔管127的重量。图90中也展示第一绞车110、第二绞车111、框架120、LTW 121、浮动机构123、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、顶部驱动器114、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及用过的管架128。

现在参见图91，其为在以3英尺/秒起钻期间在t＝21秒处钻孔和起下钻系统100的示意性表示。顶部驱动器114向上加速以使得用过的架129的下端离开TDR 112的顶部。顶部驱动器114随后维持TDR 112上方的此距离。机架臂115移入且抓持用过的架129。图91中也展示第一绞车110、第二绞车111、框架120、LTW 121、UTW 122、浮动机构123、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、保护接头114a、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及钻孔管127。

现在参见图92，其为在以3英尺/秒起钻期间在t＝25秒处钻孔和起下钻系统100的示意性表示。顶部驱动器114浮动机构施加分隔力，且顶部驱动器114卸开保护接头114a接头。机架臂115撤回用过的架129且随后开始将用过的架129返回到准备好下一循环的管架(未图示)的过程。图92中也展示第一绞车110、第二绞车111、安装在框架120上的包含LTW121、UTW 122、浮动机构123的TDR 112、包含上部部分124'和下部部分124”的泥浆斗130、第三绞车113、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a、井架118的钻台119，以及钻孔管127。

现在参见图93，其为在以3英尺/秒起钻期间在t＝34秒处钻孔和起下钻系统100的示意性表示。顶部驱动器114向下降低回到准备好下一循环的开始位置。一旦保护接头114a接头进入泥浆斗130，顶部驱动器114便与TDR 112匹配垂直速率，使得保护接头114a接头停留在泥浆斗130的上部腔室124'中。同时，顶部驱动器114以与钻孔管127相同的速度开始旋转。循环现在重复，已花费34秒来从孔移除一个用过的管架129。图93中也展示第一绞车110、第二绞车111、包含LTW 121、UTW 122、浮动机构123的框架120、泥浆斗130的下部部分124”、第三绞车113、机架臂115、具有天车117a、117b和117c的天车升沉补偿器117、井架118、导轨118a，以及井架118的钻台119。

下钻

下钻序列与钻孔序列相同，不同的是未泵送泥浆且钻柱不旋转。这意味着泥浆斗的上部管柱塞、全封闭柱塞和下部管柱塞一直保持打开。以下序列描述基本上与钻孔序列相同，但泥浆斗和旋转操作移除。考虑下钻序列在顶部驱动器处于“加载”位置且TDR的下部转矩扳手支撑钻柱的重量的情况下开始。机架臂固持新的管且处于准备好接近顶部驱动器的位置。TDR起重机以所需的下钻速率降低钻柱。顶部驱动器浮动机构缩回，且上部转矩扳手浮动机构延伸。

下钻序列如下进行。机架臂在保护接头下方移动新管架的顶部接头。顶部驱动器浮动机构施加插入力且顶部驱动器构成保护接头与架之间的接头。机架臂撤回到安全距离且随后开始从机架获取管架且使其返回到准备好下一循环的开始位置的新循环。顶部驱动器起重机向下加速以追上TDR。同时，顶部驱动器浮动机构缩回。此继续直到新管架的底部接头插入到泥浆斗的上部部分中为止。在此点，顶部驱动器起重机匹配TDR的运动。上部转矩扳手接合在管上。顶部驱动器浮动机构施加插入力且顶部驱动器构成架与钻柱之间的接头。上部和下部转矩扳手脱离。在此点，顶部驱动器运载钻柱。

TDR起重机提升TDR到准备好断开保护接头的断开位置，同时顶部驱动器继续向下钻孔。系统等待直到保护副接头开始进入TDR为止。TDR起重机对顶部驱动器起重机匹配运动，使得保护副接头位于泥浆斗的下部部分中。上部和下部转矩扳手与管接合。在上部转矩扳手和下部转矩扳手卸开接头时，顶部驱动器和上部转矩扳手浮动机构将分隔力施加于接头。上部转矩扳手脱离。顶部驱动器起重机升高顶部驱动器直到准备好下一循环的加载位置，同时TDR起重机继续以所需下钻速率下降。一旦TDR起重机已到达连接位置，循环便将再次开始。

序列控制系统

上文描述的序列相对复杂，在钻孔系统的各种子系统之间具有许多潜在交互。为了模拟且最终控制钻孔/扩孔/起下钻操作，首先界定构造的状态机的行为是有用的。

并非产生控制钻孔系统的所有操作的一个大状态机，而是明智的将系统划分为若干子系统。以下部分首先描述用以控制机架系统、起重机、顶部驱动器和TDR的状态机。剩余部分描述用以在钻孔、后扩孔、下钻和起钻操作中对子系统进行定序的状态机。

起重机定序

顶部驱动器和TDR起重机系统执行三个任务，即移动到固定位置(例如，加载/卸载位置)、以恒定操作速率(例如，钻孔速率)向上或向下移动，和对另一起重机匹配运动(例如，顶部驱动器对TDR匹配运动以将保护接头插入到泥浆斗中)。移动大量的顶部驱动器、TDR和钻柱需要平稳运动。这是通过不将突然的速度改变要求发送到绞车驱动器来实现。确保运动控制系统中的平稳速率的最简单方式之一是使用梯形速率分布。将到固定目标位置的运动划分为三个阶段。在第一阶段中，速率以恒定加速速率增加，直到速率实现最大可允许值。在第二阶段中，运动以此速率继续。在最终阶段中，速率以恒定减速速率减小，直到速率达到零且到达目标位置的同一时刻。对于小的移动，将不会到达最大速率，第二阶段消失，且速率分布变为三角形。

以操作速率移动可需要初始加速或减速阶段，以便平稳地实现目标速率。对起重机系统发出目标速率A，导致加速阶段。之后的某个时间，对起重机系统发出较低目标速率B。这需要减速周期，以便达到所需速率。

将起重机的运动匹配于移动目标通常需要高速运动周期以追上目标，之后是减速周期以匹配速率。举例来说，为了允许顶部驱动器在连接新管架之前追上TDR且与TDR匹配速率，初始地起重机加速直到最大可允许速率以便追上目标。随后，在适当时间，起重机减速以使得在到达目标位置的同一时刻到达目标速率。

起重机状态机序列任意地开始，其中起重机等待于目标位置(例如，加载位置)。如果状态机接收到“开始操作”信号，那么其加速直到操作速率且保持在所述速率。或者，如果状态机接收到“匹配运动”信号，那么其加速以追上目标且随后减速以匹配速率。一旦运动匹配或处于操作速率，状态机便可响应于“移动到目标位置”信号。梯形分布可用以提供平稳运动。

如本文详细描述，存在起重机的若干重要位置目标。对于顶部驱动器，井架的顶部处的“加载”位置是重要的，因为这是新管架附接到保护接头或旧管架移除的地方。在后扩孔和起钻序列期间还使用下部“接收”位置。这是顶部驱动器等待TDR以使得其可接管驱动钻柱的作用的位置。对于TDR起重机，“连接”位置是在钻孔和下钻操作期间顶部驱动器需要开始附接保护接头的地方。“断开”位置位于TDR的行程的顶部处。这是其在钻孔或下钻操作期间等待断开保护接头的地方。最终，还存在“拾取”位置，TDR在此在后扩孔或起钻操作期间等待从钻柱断开架。

机架臂定序

机架臂的作用是在机架与顶部驱动器保护接头之间移动管架。对机架臂系统存在两个重要位置。第一位置是在机架处且是抓持器需要从机架取得新架或将架存储回机架中的地方。第二位置是“就绪”位置。这是朝向井架的顶部，其中臂撤出顶部驱动器的路径。在加载架之前机架臂在此等待。

机架臂状态机序列以机架臂处于机架位置开始，其中抓持器为空(即，不固持架)。从此可开始加载或卸载循环。如果状态机接收到“准备加载”信号，那么臂抓持机架中的架，将其运载到就绪位置且随后等待“加载”信号。当接收到时，机架臂对顶部驱动器匹配运动(其将通常正在以下钻或钻孔速率向下移动)。机架臂随后以架接近顶部驱动器，且使其恰好对准于保护接头下方。在接收到“释放”信号时，机架臂放开架，撤回且移动回到机架。如果状态机接收到“准备卸载”信号，那么臂空手的移动以对顶部驱动器匹配运动(通常顶部驱动器将正在以起钻或扩孔速率向上移动)且臂撤回。在接收到“抓持”信号后，机架臂将接近顶部驱动器且抓持连接到保护接头的架。在接收到“卸载”信号后，机架臂将撤回架，移动回到机架，且将架放置于机架中。

顶部驱动器系统定序

为了定序，顶部驱动器系统包括顶部驱动器马达和保护接头组合件，以及顶部驱动器浮动机构。顶部驱动器马达的作用是在钻孔和后扩孔操作期间驱动钻柱，以及构成和卸开管接头。这些接头可在保护接头与钻架之间或钻柱中的两个架之间。构成或卸开接头可由顶部驱动器单独执行，例如当在保护接头与由机架臂固持的架之间构成接头时。在此情况下，顶部驱动器必须提供加转矩或卸开接头所必要的转矩。顶部驱动器还可与TDR串联工作以构成或卸开接头。此处，TDR的上部转矩扳手提供转矩，其中顶部驱动器运动从属于上部转矩扳手。由于顶部驱动器的惯性较高，且钻柱的惯性甚至更高，因此顶部驱动器马达加速直到适当速度和减速到停置需时。浮动机构的目的是在构成或卸开期间将指定向下或向上力施加于管接头的一个部分，且还在卸开操作期间将管架的末端缩回到泥浆斗的上部部分中。

顶部驱动器状态机序列在顶部驱动器保护接头断开且无旋转的情况下开始。顶部驱动器浮动机构缩回。存在两组转变：一组表示在钻孔或下钻操作期间遵循的序列；且另一组表示在后扩孔或起钻操作期间遵循的序列。

首先考虑钻孔操作转变。当状态机接收到“构成保护接头”信号时，浮动机构施加插入力，且顶部驱动器旋转以旋入且对接头加转矩。在接收到“开始旋转”信号时，顶部驱动器开始加速直到操作速度且浮动机构缩回。顶部驱动器现在连接到钻架(但不是钻柱)且旋转。顶部驱动器随后等待“允许架构成”信号。当接收到时，对顶部驱动器的速度要求从属于TDR上部转矩扳手的运动，且使用浮动机构施加插入力。还接通到顶部驱动器的泥浆流。顶部驱动器现在准备好辅助TDR构成钻架与钻柱之间的接头。在接收到指示TDR已完成构成过程的“架构成”信号时，顶部驱动器再继续以所需操作速度旋转。

在接收到指示是时候断开保护接头且将钻柱传递到TDR的“允许保护接头卸开”信号时，对顶部驱动器的速度要求再次从属于上部转矩扳手的运动。浮动机构用以将分隔力施加于接头。顶部驱动器现在准备好辅助TDR卸开保护接头与钻柱之间的接头。在接收到“保护接头卸开”信号时，浮动机构完全缩回且泥浆到顶部驱动器的流动断开。最终，在接收到“停止旋转”信号时，顶部驱动器减速到停置，使顶部驱动器系统回到初始状态。

后扩孔操作转变基本上是与针对钻孔操作转变详细描述的序列相同的序列，但是颠倒序列的。在下钻和起钻操作期间不需要旋转和泥浆流。然而，可使用相同的状态机。此处，不发出打开泥浆阀命令，且将操作速度设定为零。因此，需要加速或减速的那些转变瞬时地发生。

TDR定序

TDR包含需要定序的若干组件，包含上部和下部转矩扳手、泥浆斗的上部管柱塞、全封闭柱塞和下部管柱塞，以及泥浆阀和真空处理系统。下部转矩扳手支撑钻柱的重量且提供钻孔和扩孔转矩。上部转矩扳手用以收紧和放松管接头。两个转矩扳手均花时间来与管接合和从管脱离。泥浆斗的上部管柱塞、全封闭柱塞和下部管柱塞在泥浆斗的上部部分或下部部分中容纳泥浆。这些柱塞花时间来打开和关闭。泥浆真空处理系统用以从泥浆斗和保护接头移除泥浆。TDR必须执行在两个基本状态之间切换的两个序列：完全脱离且打开(对穿过TDR的钻柱没有阻挡)以及与钻柱接合且驱动钻柱(泥浆斗的上部部分为空)。

图94展示对包含上部和下部转矩扳手和泥浆斗的TDR的操作进行定序的状态机。以实线展示的转变是在需要泥浆循环的钻孔和后扩孔操作期间使用。以虚线展示的转变是在下钻和起钻操作期间使用。首先考虑对于钻孔和后扩孔操作所需的序列。开始点可见TDR与钻柱接合且驱动钻柱。下部转矩扳手支撑钻柱的重量且以所需操作速度旋转。上部转矩扳手脱离，但仍以操作速度旋转。泥浆斗的上部管柱塞打开，且泥浆斗的上部部分没有泥浆。泥浆斗的全封闭柱塞和下部管柱塞关闭，且泥浆斗的下部部分充满泥浆，其中到下部端口的泥浆流接通。

当接收到“准备好构成接头”信号时，泥浆斗的上部管柱塞关闭，从而密封泥浆斗的上部部分。全封闭柱塞随后打开，且上部转矩扳手与管接合。在接收到“构成接头”信号时，浮动机构将插入力施加于接头(顶部驱动器浮动机构将也进行同样操作)。随后使用上部转矩扳手构成接头(顶部驱动器的运动从属于上部转矩扳手)。同时，到泥浆斗的泥浆阀关闭，因为现在通过顶部驱动器和保护接头提供泥浆流。上部和下部转矩扳手现在脱离，且泥浆真空排出泥浆斗。泥浆斗的上部管柱塞和下部管柱塞打开，且上部转矩扳手上的浮动机构完全缩回。在此点，TDR从钻柱完全断开。

当接收到“准备好卸开接头”信号时，上部和下部转矩扳手接合，且泥浆斗的上部管柱塞和下部管柱塞在钻柱周围关闭。到TDR的泥浆阀打开，从而以泥浆泛注泥浆斗。在接收到“卸开接头”信号时，上部转矩扳手浮动机构将分隔力施加于接头。随后使用上部转矩扳手卸开接头。浮动机构将接头的上部部分提升到泥浆斗的上部部分中，且全封闭柱塞关闭。泥浆随后从泥浆斗的上部部分真空排出，且上部转矩扳手脱离。在此点，在钻柱正由下部转矩扳手驱动的同时，将TDR从管接头的上部管半部断开。

在下钻或起钻期间不需要泥浆循环和旋转。相同状态机可用以对这些情况中的操作进行定序。然而，以虚线展示的转变用以绕过柱塞的操作。而且，将操作速度设定为零，且停用泥浆阀操作。

钻孔操作定序

先前部分描述用于对起重机、机架臂、顶部驱动器和TDR子系统进行定序的状态机。此部分描述在钻孔操作期间协调子系统的状态机。

钻孔操作是循环的，但为了描述状态机而需要一个开始点。此开始点选择为：顶部驱动器断开、不旋转且处于加载位置；TDR驱动钻柱且以穿透率向下移动；以及机架臂跟踪顶部驱动器且准备好加载新架。一旦TDR已将钻柱降低到需要添加新架的点(早先描述的连接位置)，则循环的第一部分开始。在此点，顶部驱动器开始对TDR匹配运动，且机架臂将钻架呈现到保护接头。顶部驱动器构成接头，且机架臂撤回。新架的末端随后插入在TDR中，且TDR在顶部驱动器的帮助下构成此接头。TDR随后从管脱离且移动到断开位置。当保护接头已向下移动足够远而需要从钻柱断开时循环的第二部分开始。TDR对顶部驱动器匹配运动且在保护副接头周围关闭。TDR随后结合顶部驱动器来卸开接头且打开其上部腔室以释放保护接头。顶部驱动器随后移动到准备好下一循环的加载位置。

后扩孔操作定序

此部分描述在后扩孔操作期间协调子系统的状态机。后扩孔操作有效地与钻孔操作相互颠倒。循环的开始点选择为：顶部驱动器断开、静止且处于接收位置；TDR驱动钻柱且以后扩孔速率向上移动；以及机架臂跟踪顶部驱动器且准备好卸载架。一旦保护接头的末端已进入TDR，则循环的第一部分开始。在此点，顶部驱动器对TDR匹配运动且开始旋转。TDR结合顶部驱动器来构成保护接头与钻柱之间的接头。TDR随后断开且移动到拾取位置。

当钻柱中的最顶部架的底部接头进入TDR时循环的第二部分开始。TDR结合顶部驱动器而围住接头且卸开接头。TDR随后在顶部驱动器将架升高到TDR之外的同时继续驱动钻柱。机架臂随后抓持架，顶部驱动器卸开架与保护接头之间的接头，且机架臂使架返回到管架。最终，顶部驱动器向下移动到准备好下一循环的接收位置。

下钻操作定序

用以对下钻操作进行定序的状态机实际上相同于钻孔所需的状态机。仅有的重要差异在于，除了当构成或卸开接头时之外顶部驱动器和扳手都不旋转。虽然钻孔状态机发信号通知顶部驱动器在某些转变期间开始和停止旋转，但顶部驱动器状态机可有效地忽略此命令且维持零速度。

起钻操作定序

用以对起钻操作进行定序的状态机实际上相同于后扩孔所需的状态机。同样，仅有的重要差异在于，除了当构成或卸开接头时之外顶部驱动器和扳手都不旋转。虽然后扩孔状态机发信号通知顶部驱动器在某些转变期间开始和停止旋转，但顶部驱动器状态机可有效地忽略此命令且维持零速度。

本文揭示和主张的所有装置、组成和/或方法可在不依据本发明进行过度实验的情况下进行和执行。虽然已在优选实施例方面描述了本发明的系统和方法，但所属领域的技术人员将了解，在不脱离本发明的概念、精神和范围的情况下可将变化应用于所述系统和/或方法以及本文描述的方法的步骤中或步骤序列中。更具体来说，将了解，某些相关组件可代替本文描述的组件，同时将实现相同或相似结果。另外，可修改一些操作，例如更改本文描述的操作的时序，或者可能修改本文描述的操作的顺序。类似地，将了解，可修改各种数据输入和计算机编程以提供比本文描述的方法的设备和性能的操作较多或较少的自动化。所属领域的技术人员了解的所有这些类型代替和修改均视为在由所附权利要求书界定的本发明的精神、范围和概念内。

Claims (10)

1.一种钻孔和起下钻系统，其包括：

a)多个升降系统；

b)多个游动差钻器，其各自与所述多个升降系统中的至少一者相关联；

c)管处置和存储系统，其与所述多个游动差钻器中的至少一者相关联；

d)钻孔流体转向系统，其与所述多个游动差钻器中的至少一者相关联；以及

e)控制系统；

其中所述多个游动差钻器包括第一游动差钻器和第二游动差钻器，且其中所述第一游动差钻器或所述第二游动差钻器包括：旋转电梯碗、下部旋转转矩扳手、上部旋转转矩扳手、旋转器、泥浆斗以及流体连接系统。

2.根据权利要求1所述的钻孔和起下钻系统，其包括第一升降系统和第二升降系统。

3.根据权利要求2所述的钻孔和起下钻系统，其中所述第一升降系统或所述第二升降系统包括绞车、绞盘、液压油缸、齿条齿轮系统或高负载线性马达。

4.根据权利要求1所述的钻孔和起下钻系统，其中所述旋转器是两部分旋转器。

5.根据权利要求1所述的钻孔和起下钻系统，其中所述泥浆斗是两部分泥浆斗。

6.根据权利要求1所述的钻孔和起下钻系统，其中所述控制系统包括计算机，所述计算机进一步包括用于操作所述钻孔和起下钻系统的指令。

7.根据权利要求6所述的钻孔和起下钻系统，其中所述控制系统包括用于同时控制所述升降系统、所述游动差钻器、所述管处置和存储系统和所述钻孔流体转向系统的操作的指令。

8.根据权利要求7所述的钻孔和起下钻系统，其中所述控制系统包括响应于与钻孔或起下钻操作相关联的数据的指令。

9.根据权利要求8所述的钻孔和起下钻系统，其中所述控制系统包括响应于存储在非易失性存储器中的数据、与钻孔或起下钻操作相关联的实时数据和用户输入的指令。

10.一种用于以连续或近连续旋转和近连续泥浆循环从孔移除钻柱的一部分的方法，其包括：

为钻机而装备一种钻孔和起下钻系统，所述钻孔和起下钻系统包括多个升降系统、多个游动差钻器、管处置和存储系统、钻孔流体转向系统、以及控制系统，其中每个游动差钻器均与所述多个升降系统中的至少一者相关联，所述管处置和存储系统与所述多个游动差钻器中的至少一者相关联，所述钻孔流体转向系统与所述多个游动差钻器中的至少一者相关联；以及

操作所述钻孔和起下钻系统以用连续或近连续旋转和近连续泥浆循环从孔移除钻柱的至少一部分。