CN105431608A - 与凿岩钻机相关的用于操纵钻柱部件的装置及凿岩钻机 - Google Patents

Abstract

一种与钻机(1)相关的用于操纵钻柱部件(10)的装置(2)，所述装置包括抓持装置(9)和操纵单元(8)，其中，抓持装置(9)用于抓持第一钻柱部件(10)，第一钻柱部件(10)待螺纹连接到第二钻柱部件(12)上或者待与第二钻柱部件(12)断开螺纹连接，第二钻柱部件(12)为部分地钻凿到岩层中的钻柱的一部分，操纵单元(8)包括所述抓持装置(9)，并且操纵单元(8)能够在钻柱位置(D)与装载位置(L)之间移动，在装载位置(L)中，钻柱部件可以被带入到所述抓持装置中或从所述抓持装置取出。操纵单元(8)包括用于将所述抓持的第一钻柱部件(10)对准成与由所述第二钻柱部件(12)限定的轴向方向基本一致的辅助接合装置(11)。所述抓持装置和所述辅助接合装置(11)能够在保持所抓持的钻柱部件的对准的情况下调节成用于抓持不同尺寸的钻柱部件。本发明还涉及一种包括这种装置的凿岩钻机。

Description

与凿岩钻机相关的用于操纵钻柱部件的装置及凿岩钻机

技术领域

本发明涉及与凿岩钻机相关的用于操纵钻柱部件的装置，所述装置包括用于抓持第一钻柱部件的夹持装置，该第一钻柱部件待螺纹连接到第二钻柱部件上或者待与第二钻柱部件断开螺纹连接，该第二钻柱部件包括在部分地钻凿到岩层中的钻柱中。本发明还涉及包括这种装置的钻机。

背景技术

现今，对钻柱部件的关于将新部件接合至钻柱以及释放钻柱的操纵在很大程度上手动地执行。由此，将待与钻柱接合的新钻柱部件放置在钻柱位置中，于是，首先手动地对该新钻柱部件进行螺纹连接并且随后通过钻机的旋转器装置进行最终的螺纹连接。在将钻柱拆卸成单独的部件期间——例如在更换钻头或完成钻凿期间，执行相反的过程。

出于勘查钻探目的的取芯钻探通常执行到较大的深度并且具有非常长的如数千米或更长的钻孔。单独的钻柱部件——在此通常为钻管——通常具有例如3米的长度。由于必须相对频繁地执行钻头的更换，因此为了替换钻头，需要大量对钻柱部件的关于将其从钻孔取出以及在下降期间的操纵。

US6,634,443B1是背景技术的示例。此文献描述了一种用于钻柱部件的操纵装置，其中，待接合至钻柱的钻柱部件在装载位置与钻柱位置之间传送。

发明内容

本发明的目的是提供一种根据以上内容的装置和方法，该装置和方法允许钻柱部件的与钻机相关的更安全且更有效的操纵，并且还以更大的灵活性允许不同的应用，使得特别是可以使将钻柱在钻孔中提升及降低期间的整个过程较少地受到即将发生的有问题的情况的影响，借此可以执行总体上更有效的钻探。

与根据以上内容的装置有关的目的因以下方面得以实现：操纵单元包括辅助接合装置，该辅助接合装置用于在钻柱位置中接合所述第二钻柱部件，具有所述辅助接合装置的操纵单元适于将所述所抓持的第一钻柱部件引导并对准成与由所述第二钻柱部件限定的轴向方向基本一致，所述辅助接合装置和所述抓持装置布置在共同的承载件上，以及所述抓持装置和所述辅助接合装置能够在保持所抓持的钻柱部件的对准的情况下调节成用于抓持不同尺寸的钻柱部件。

由此以有效的方式实现了下述方面：意在用于接合的第一钻柱部件实际上与位于钻孔中的钻柱的最上部的钻柱部件对准，使得在实践中可以获得对准的螺旋接合，从而使得实际上按预期执行螺纹连接在一起，以及使得钻柱部件的易损坏的螺纹部不必经受斜向载荷并且由此不必经受损坏。获得了对钻柱部件的不同尺寸的非常适当且有效的适应。

这是因为在许多操作情况下已显示，位于钻孔中的钻柱的所述最上部的钻柱部件与例如钻机的进给梁之间存在角度偏差。这种角度偏差的大小可能使得试图关于进给梁的方向或钻机中的任何其他方向螺纹连接在一起会失败。在最好的情况下，这种损坏使得无论如何可以实现螺纹接合，但是，微小的损坏也会导致钻柱部件的工作寿命缩短并且由此导致不必要的花费。

因此，通过本发明借助于辅助接合装置提供了将所抓持的第一钻柱部件对准成与第二钻柱部件的最外面的区域一致或者至少基本一致的可能性，其中，该第二钻柱部件为钻孔中的钻柱的最上部的钻柱部件。

由于通过本发明确保了这种对准，因此有助于螺纹连接在一起，并且损坏钻柱部件的上述问题以及试图接合失败得以避免。

为了达到好的效果，所述辅助接合装置设置成与第二钻柱部件的的部分接合，定位成彼此相距一定的轴向距离或至少具有至少一定的轴向长度。所述辅助接合装置的变体适当地由来自下述组的具有夹持表面的单个夹持装置构成：在沿所抓持的钻柱部件的轴向方向观察时定位成彼此相距一定距离的接合元件比如夹持脊状部，延伸越过所抓持的钻柱部件的在轴向方向上的部分的接合元件——比如，在沿所述轴向方向观察时具有与钻柱部件的至少直径大致对应的宽度的爪。

所述辅助接合装置和所述抓持装置适当地布置在共同的承载件上，这非常有助于对准。该承载件连同所述辅助接合装置和所述抓持装置有助于角度的改变以及对准。

优选地，出于调节的目的，所述抓持装置和所述辅助接合装置能够相对于摆动轴线移位。可动性适当地发生在下述方向/多个方向上：该方向/多个方向与相对于摆动轴线径向地延伸的方向偏离。优选地，所述抓持装置和所述辅助接合装置由所述承载件以可移位且固定的方式支承。可固定性适当地借助于孔和锁定元件，其中，所述孔在充分复位时彼此对齐，所述锁定元件随后被引入到这些对齐的孔中。在保持所抓持的钻柱部件的对准的情况下，抓持空间能够进一步进行适当地调节成适于所述抓持装置以及所述辅助接合装置。

优选地，每个抓持装置均包括可驱动的旋转轮以及自由旋转的旋转辊，该旋转轮用于所抓持的钻柱部件的螺纹旋转，其中，至少一个旋转辊能够相对于旋转轮进行调节。

适当地，所述辅助接合装置包括固定爪和可动爪。特别地，所述固定爪包括V形凹部，其中，该凹部沿所述辅助接合装置的摆动方向指向以用于抓持钻柱部件。

优选地，承载件绕摆动轴线枢转，该摆动轴线与所抓持的钻柱部件的轴向方向基本平行。

所述辅助接合装置适当地由来自下述组的具有夹持表面的夹持装置构成：在沿所抓持的钻柱部件的轴向方向观察时彼此相距一定距离定位的接合元件、延伸越过所抓持的钻柱部件的在轴向方向上的部分的接合元件。

优选的是，用于改变角度的所述装置包括接头装置，该接头装置在其部分之间具有游隙或挠曲。所述接头装置在其部分之间在径向方向上适当地形成有游隙或挠曲以及/或者在旋转方向上适当地形成有屈服。还优选的是，接头装置的各部分之间的所述游隙或挠曲以及屈服适于抵抗弹性元件或多个元件的作用。用于改变角度的所述装置优选地包括分开的支承臂，该支承臂定位在所述支承装置与所述抓持装置之间，并且该支承臂在支承臂的部分之间包括至少一个弹性元件。

非常优选的是，所述抓持装置设置成使所抓持的第一钻柱部件经受同将所抓持的第一钻柱部件与第二钻柱部件螺纹连接在一起或与该第二钻柱部件断开螺纹连接有关的轴向运动。

所述支承装置优选地包括用于紧固至钻机的本体，所述本体支承呈用于使操纵单元在钻柱位置与装载位置之间摆动的摆动马达的形式的旋转致动器。

所述抓持装置设置成使所抓持的第一钻柱部件经受同将所述第一钻柱部件与所抓持的第二钻柱部件螺纹连接在一起或与该第二钻柱部件断开螺纹连接有关的轴向运动，比如旋转与该轴向运动相关以适应于当前螺纹的节距。

在本发明的范围内，支承装置包括滑动梁，该滑动梁设置成与钻机的进给梁基本平行，并且滑动件能够在该滑动梁上来回驱动，其中，操纵单元连接至此滑动件。这使得可以针对普遍情况和要求设定装载位置。优选地，操纵单元通过下述角度调节装置以可移动的方式连接至所述滑动件以使带有所抓持的钻柱部件的操纵单元在和钻柱位置平行的位置与水平装载位置之间摆动：该角度调节装置包括旋转马达，该旋转马达具有定位在与滑动梁的纵向轴线垂直的平面中的旋转轴线。由此有助于装载并且特别是简化了自动装载，借此，根据本发明的钻机连接有具有水平地定位的钻柱部件的匣仓。应当理解的是，对于根据本发明的装置来说，还可以存在竖向装载位置和倾斜装载位置。

优选的是，操纵单元能够移位成在钻柱位置中与用于接纳岩芯试样的内管接合。这通过下述方面来实现：操纵单元能够移位成使得所述辅助接合装置在钻柱位置中将轴向地终止于固定在钻柱位置中的钻柱部件的上方，以便而是能够在内管被从固定的钻柱部件拉出时接合所述内管。如在不同类型的钻柱部件的对应操纵中那样，操纵内管可以在完成提取之后执行。

根据本发明的凿岩钻机包括本发明的操作装置。此凿岩钻机适当地构造成用于取芯钻探，但其还可以构造成用于其他类型的钻探。

附图说明

现在将在实施方式的背景下并参照附图对本发明进行更详细的描述，在附图中：

图1示出了配备有根据本发明的装置的钻机，

图2以更大比例示出了根据本发明的装置的细节，以及

图3a和图3b示出了用于说明根据本发明的调节的图示。

具体实施方式

图1示出了用于取芯钻探的钻机1，钻机1由支承结构S支承，所述钻机通常配备有进给梁3、运载装置5以及下方的钻柱保持器6，，运载装置5能够被来回驱动并且具有用于驱动具有上部第二钻柱部件12的钻柱并使该钻柱旋转的旋转器。

7表示支承装置，该支承装置包括本体，该本体用于将用于操纵钻柱部件的装置2(被命名为操纵装置)紧固在钻机上。连接梁设置成用于在进给梁3的上端部和下端部的区域中固定支承装置7。

在示出的示例中，支承装置7包括其上设置有摆动装置的本体，该摆动装置又包括摆动马达13。作为支承装置的本体布置在进给梁的侧面并且设置成(使得中心轴线)与进给梁平行。

操纵装置2包括用于抓持第一钻柱部件(用间断线10表示)的抓持装置(总体上用9表示)，该第一钻柱部件待被放入到钻机中的钻柱位置D中或者待从钻机中取出以随后定位在匣仓中。

附图标记29指的是下述支承件：该支承件刚性地应用在支承装置7的上部区域处以在将第一钻柱部件10定位在图1中所示的被命名为装载位置L的位置中的期间进行支承并帮助。

操纵装置2还包括辅助接合装置11，辅助接合装置11设置成在第二钻柱部件12的最外部与第二钻柱部件12接合，该第二钻柱部件12位于钻柱位置D中的钻凿到岩石中的钻柱的最上部，并且以将在下面说明的方式从旋转器稍微突出。

在第二位置中，第一钻柱部件10处于钻柱位置D，即处于下述位置：在该位置中，第一钻柱部件10以及钻柱的最上部的第二钻柱部件12均处于钻柱位置D。在此位置中，辅助接合装置此刻接合第二钻柱部件12。

在辅助接合装置11的激活期间，有效地获得了用于操纵单元8的纵向保持器的对准，操纵单元8包括所述保持器、所述辅助接合装置11和抓持装置9，在本实施方式中，抓持装置9包括在沿被抓持的钻柱部件的轴向方向观察时定位成彼此相距一定距离的抓持装置9’和抓持装置9”两者。由于抓持装置9’和9”仍与第一钻柱部件10接合，因此开始了钻柱部件10与钻柱部件12的相互对准。

出于此目的，在操纵装置2中存在位于操纵单元8的保持器与所述支承装置7之间的弹性部，该保持器承载抓持装置和辅助接合装置并与抓持装置和辅助接合装置直接配合。

因此，辅助接合装置11的激活将提供第一钻柱部件10与第二钻柱部件12的适当对准以用于随后的螺纹连接操作。

在本发明的图1中所示的方面中，支承装置7包括滑动梁37，滑动梁37设置成与属于钻机的进给梁3基本平行，滑动件38能够在滑动梁37上来回移动，其中，操纵单元连接至所述滑动件。这使得可以针对普遍情况和普遍要求调节装载位置。操纵单元8通过下述枢转装置以可移动的方式连接至所述滑动件以使带有所抓持的钻柱部件的操纵单元8在和钻柱位置平行的位置与水平装载位置(未示出)之间摆动：该枢转装置包括旋转马达，该旋转马达具有在与滑动梁37的纵向轴线成直角的平面中延伸的摆动轴线。由此，有助于装载并且特别是简化了自动装载，其中，根据本发明的钻机连接有具有水平定位的钻柱部件的(未示出的)匣仓。摆动马达39可以相对于滑动件以与图1中所示的不同的方式进行定向，其中，在图1示出的方式中将摆动轴线保持在与滑动梁37的纵向轴线成直角的平面中延伸。

图2更详细地示出了抓持装置9’和9”以及辅助接合装置11的区域。明显的是，每个抓持装置9’和9”均包括刚性爪和可动爪，可动爪能够借助于相应的液压缸操纵成打开及关闭。在每个爪上的最外面均存在旋转辊并且在每个抓持装置内还存在旋转轮18，旋转辊和旋转轮18由相应的旋转马达19旋转地驱动。

在每个抓持装置9’和9”的第一爪的闭合位置中，第一钻柱部件在三个点中靠着相应的抓持装置——即靠着位于爪上的最外面的旋转辊并且靠着旋转轮。这使得可以通过启动旋转马达19来使钻柱部件10(见图1)旋转，以便使第一钻柱部件10关于第二钻柱部件12进行螺纹接合及分离。

此外，抓持装置9’和9”以能够相对于辅助接合装置11轴向地移动的方式被承载。

用于改变角度的装置由布置在滑动件38与操纵单元11之间的臂43和48支承。

另外，辅助接合装置11包括刚性爪62和可动爪63，其中，该可动爪能够通过液压缸被操纵。与抓持装置相比，辅助接合装置不包括任何旋转辊。

在辅助接合装置11、抓持装置9’和9”与支承装置7(图1)之间定位有此处被命名为挠性毂的弹性屈服毂。

挠性毂允许关于毂本体的径向挠曲，从而允许用于抓持装置和辅助接合装置的保持器轴与支承装置7之间的角度偏差，由此允许钻机的进给梁3的角度偏差。

挠性毂22除了允许径向屈服外还允许抵抗弹簧装置的作用的旋转屈服。

根据本发明，所述抓持装置9和所述辅助接合装置11能够在保持所抓持的钻柱部件的对准的情况下进行调节以抓持不同直径或厚度的钻柱部件。这通过所述抓持装置9和所述辅助接合装置11出于调节目的而能够相对于摆动轴线68移位来完成。优选地，移动的能力位于如下的方向/多个方向，所述方向或多个方向与关于摆动轴线68径向地延伸的方向偏离，以便提供更容易的调节构型。特别地，所述抓持装置9和所述辅助接合装置11由所述承载件以可移位且可固定的方式支承，如图2中所示。每个抓持装置9’和9”均被设置为支承板64上的抓持器单元，支承板64以可移位且可固定的方式布置在由承载件刚性地支承的板65上。

在板64的上部区域中示出了由B、A、H和N标记的指示孔，B、A、H和N表示待抓持的钻柱部件的不同尺寸。这些孔包括用于抓持装置的固定孔，并且在抓持装置9’和9”的板64按照双箭头P1相对于板65移位时，在不同的位置中，不同的指示孔将与相应的板65中的(未示出的)固定指示孔对准。当已获得期望的对准时，通过将锁定销、螺钉等插入到对准的孔中来固定期望的位置。因此，板64通过未示出的螺钉紧固件而最终与其抓持装置固定，该螺钉紧固件被引入到孔66中，孔66由于板64中的椭圆形孔67而总是可用的。

此外，刚性爪60通过能够按照双箭头P2相对于(几乎靠近)旋转轮18移位而能够进行调节。固定以与如以上关于指示孔和锁定销(等)描述的对应的方式实现。通过对抓持装置中的两个点的调节，所抓持的钻柱部件的位置被确立。可动爪61能够通过改变行程而靠着所抓持的钻柱部件并且因此不需要为适应抓持空间的不同要求而进行调节。

辅助接合装置11的调节部分地以与上面所描述的方式对应的方式完成。另外，因此在此情况下，固定板65上存在可移位(在这里，按照双箭头P3)的支承板64，支承板64以如以上关于指示孔和锁定销等描述的方式进行操纵。固定以与例如通过使孔66中的螺钉穿过椭圆形孔67的对应的方式完成。辅助接合装置11的移位程度和移位方向不需要与抓持装置的移位程度和移位方向相同。固定爪62在此情况下为具有V形凹部的块，该凹部沿要抓持钻柱部件时辅助接合装置11的摆动方向指向。固定爪62可能需要替换以适应不同的尺寸，但是并不排除同一固定爪可以用于针对不同尺寸的抓持空间的至少一些需求。

图3a和图3b示意性地示出了根据本发明的关于针对待抓持的钻柱部件10的不同尺寸的调节。为了将不同尺寸的所抓持的钻柱部件10放置在钻机中的钻柱位置D中，无论是图3a和图3b上的钻柱部件10的预期四个尺寸中的哪一个尺寸，抓持装置和辅助接合装置都必须调节成使得所抓持的钻柱部件的中心位于摆动路径70上。此外，由抓持装置抓持的钻柱部件应与由辅助接合装置抓持的钻柱部件同轴。图3a和b在下述方面示出了该情况：钻柱部件尺寸越小，意在用于固定安装的旋转轮18和旋转辊69通过根据相应箭头71和72的这种布置就更靠近彼此。此外，抓持装置和辅助接合装置的抓持空间各自的相互移位意在使所抓持的部件同轴。这通过结合图2说明的可调节性来获得。73表示该装置的摆动方向。

本发明可以在所附权利要求的范围内进行修改。因此，可调节性可以以其他方式设置。板64和65可以由其他支承件或支承结构来替代。指示孔可以用凹部、凹口或类似件替代，所述凹部、凹口或类似件位于部件中的一个部件内并且与位于所述部件中的另一部件内的某种固定的突出部相接合。

本发明已在其中钻柱部件由钻管构成的取芯钻探的背景下进行了描述，但是应当指出的是，本发明还在其中钻柱由螺纹连接在一起的钻柱部件构成的其他类型的钻探中得到应用。另外，钻柱中所包括的诸如提升丝堵和其他元件之类的不同类型的不同尺寸钻柱部件可以由本发明的装置操纵。通过本发明，实现了下述情况：由于根据本发明的可调节性，还可以有效的方式操纵用在特定钻柱中的具有尺寸偏差的部件——例如用于待从钻柱收集的所钻探的自由岩芯的内管或捕获管。

Claims (17)

1.一种与钻机(1)相关的用于操纵钻柱部件(10)的装置(2)，所述装置包括：

-抓持装置(9)，所述抓持装置(9)用于抓持第一钻柱部件(10)，所述第一钻柱部件(10)待螺纹连接到第二钻柱部件(12)上或者待与所述第二钻柱部件(12)断开螺纹连接，所述第二钻柱部件(12)为部分地钻凿到岩层中的钻柱的一部分，

-支承装置(7)，所述支承装置(7)用于将所述用于操纵钻柱部件的装置紧固到所述钻机(1)上，

-操纵单元(8)，所述操纵单元(8)以可移动的方式连接至所述支承装置(7)，所述操纵单元(8)包括所述抓持装置(9)，并且所述操纵单元(8)能够在钻柱位置(D)与装载位置(L)之间移动，在所述钻柱位置(D)中，所抓持的第一钻柱部件(10)定位成用于螺纹连接到所述第二钻柱部件(12)上以及与所述第二钻柱部件(12)断开螺纹连接，在所述装载位置(L)中，钻柱部件能够被带入到所述抓持装置中或者能够从所述抓持装置取出，

所述装置(2)的特征在于，

-所述操纵单元(8)包括用于在所述钻柱位置(D)中接合所述第二钻柱部件(12)的辅助接合装置(11)，

-具有所述辅助接合装置(11)的所述操纵单元(8)适于将所抓持的所述第一钻柱部件(10)引导并对准成与由所述第二钻柱部件(12)限定的轴向方向基本一致，

-所述辅助接合装置(11)和所述抓持装置(9、9’、9”)布置在共同的承载件上，以及

-所述抓持装置和所述辅助接合装置(11)能够在保持所抓持的钻柱部件的对准的情况下调节成用于抓持不同尺寸的钻柱部件。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述抓持装置(9)和所述辅助接合装置(11)能够相对于摆动轴线移位以用于调节的目的。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述抓持装置(9)和所述辅助接合装置(11)由所述承载件以可移位且固定的方式支承。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的装置，其特征在于，用于所述抓持装置(9)的抓持空间以及用于所述辅助接合装置(11)的抓持空间能够在保持所抓持的钻柱部件的对准的情况下进行调节。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，每个抓持装置(9、9’、9”)均包括可驱动的旋转轮(18’、18”)以及自由旋转的旋转辊，所述旋转轮(18’、18”)用于所抓持的钻柱部件的螺纹旋转，其中，至少一个旋转辊能够相对于所述旋转轮进行调节。

6.根据权利要求1至5中的任一项所述的装置，其特征在于，所述辅助接合装置(11)包括固定爪和可动爪。

7.根据权利要求6中的任一项所述的装置，其特征在于，所述固定爪包括V形凹部，其中，所述凹部沿所述辅助接合装置(11)的摆动方向指向以用于抓持钻柱部件。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述承载件绕所述摆动轴线枢转，所述摆动轴线与所抓持的钻柱部件的轴向方向基本平行。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述辅助接合装置(11)包括来自下述组的具有夹持表面的夹持装置：在沿所抓持的钻柱部件(10)的轴向方向观察时定位成彼此相距一定距离的接合元件、延伸越过所抓持的钻柱部件(10)的在所述轴向方向上的部分的接合元件。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述操纵单元(8)包括用于改变所述抓持装置相对于所述支承装置(7)的角度并且由此改变所抓持的所述第一钻柱部件(10)相对于所述支承装置(7)的角度以允许在所述钻柱位置(D)中的所述对准的装置(17)。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，用于改变角度的所述装置(17)包括接头装置(22)，所述接头装置(22)在所述接头装置(22)的部分之间具有游隙或挠曲。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述接头装置(22)在所述接头装置(22)的部分之间在径向方向上形成有游隙或挠曲并且/或者在旋转方向上形成有屈服。

13.根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述接头装置(22)的部分之间的所述游隙或挠曲以及所述屈服适于抵抗弹性元件或多个弹性元件的作用。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的装置，其特征在于，用于改变角度的所述装置(17)包括分开的支承臂，所述支承臂定位在所述支承装置与所述抓持装置之间，并且所述支承臂在所述支承臂的部分之间包括至少一个弹性元件。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述抓持装置(9、9’、9”)设置成使所抓持的第一钻柱部件(10)经受如下的轴向运动，所述轴向运动与将所抓持的所述第一钻柱部件(10)和第二钻柱部件(12)螺纹连接在一起或将所抓持的所述第一钻柱部件(10)与所述第二钻柱部件(12)断开螺纹连接有关。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，所述操纵单元(8)能够移位以便在所述钻柱位置(D)中与用于提取岩芯试样的内管接合。

17.一种包括根据权利要求1至16中的任一项所述的装置的凿岩钻机。