CN110792399A - 钻机上处理管件的提升系统、自动机械手和方法以及管件处理系统和方法 - Google Patents

Abstract

钻机包括钻台，从钻台竖立的井架，位于井架一侧的钻台上有一个立根箱，或位于井架相对侧上的钻台上的两个立根盒，以及在立根盒上方连接到井架的一个或两个指板。提升系统构造成将顶驱器停置在井架后面。提升系统可以包括升降机和提升爪，所述提升爪可沿着垂直导轨独立移动使得可在升降机定位以拾取钻柱的同时操纵钻杆支架。上机械手，下机械手和提升爪或升降机协作以自动化地将支架存放在立根盒中和/或从立根盒供应支架。

Description

钻机上处理管件的提升系统、自动机械手和方法以及管件处 理系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年8月3日提交的中国专利申请第201810880362.2号的优先权。

背景技术

本公开总体上涉及用于处理钻机上的管件(例如钻杆支架)的方法和设备。

钻井涉及钻柱的起钻，在此期间钻柱被拉出井或下降到井中，而不钻井。通常可以发生起钻以改变底部钻具组合的全部或一部分，例如钻头。在起钻期间，多个钻杆支架与钻柱的其余部分断开并存放在钻机的立根盒中，或者从立根盒供应并连接到钻柱的其余部分。钻柱可以在钻杆支架的两个连续的断开之间或连接之间快速移动。因此，将支架存放到立根盒或从立根盒供应支架可以成为限制钻柱起钻速度的操作。

传统上，起钻是由人类操作员执行的，例如起重机操作员和钻井工人。在典型的起钻操作中，使用连接到移动块的升降机将钻柱拉出井，并且钻柱放置在卡瓦中。然后，通过移动块承载“待断开的支架”的重量，并使用夹具断开支架连接。钻井工人手动将悬挂支架的下端手动定位在立根盒，并且支架的重量降低在立根盒上。最后，支架的上端与升降机脱离，并且起重机操作员将支架的上端定位在指板中。

为了加速起钻，可以设计具有非常规立根盒和装架模块的钻机，例如PCT申请公开WO 2017/190120中所示。上臂和下臂以及可伸缩的顶驱器可用于利用这样非常规的立根盒和装架模块并加速起钻。可以使用提升臂(例如美国申请公开号2016/0160586中显示的)或旋转工作台和管道移动器的组合(如美国专利8,550,761中显示的)来加速将支架存放到立根盒。

尽管最近取得了进展，但是本领域仍然需要用于加速钻柱起钻的装置和方法，其优选地可以在传统的陆地钻机上进行改装。

发明内容

本公开描述了提升系统，其可以是用于钻机的管件处理系统的一部分。

提升系统可包括两个门。两个门中的每一个可以连接到钻机的井架，以便相对于井架旋转。例如，钻机的井架可包括两个间隔开的桁架。两个门中的每一个可以连接到两个桁架中相应的一个。两个门中的每一个都能够在第一位置和第二位置之间旋转，在第一位置，门位于两个桁架之间的空间中，第二位置是从第一位置旋转大约四分之一圈。

提升系统可包括两个轨道部分。两个轨道部分中的每一个可以连接到两个门中相应的一个，以便相对于两个门中相应的一个旋转。例如，两个轨道部分中的每一个可以能够从两个门中的相应的一个门的一侧上的第一位置旋转大约半圈到门的相对侧上的第二位置。

提升系统可包括垂直导轨，其可连接到钻机的井架。两个轨道部分中的任何一个可以选择性地形成垂直导轨的一部分，和/或可以集成并固定到垂直导轨。例如，两个轨道部分中的每一个可包括至少一个立销。垂直导轨的上轨道部分可包括至少一个垂直孔，其尺寸适于容纳至少一个立销。两个轨道部分中的每一个可包括至少一个第二垂直孔。垂直导轨的下轨道部分可包括至少一个第二立销，其尺寸适于容纳在至少一个第二垂直孔中。下轨道部分可以连接到钻机的井架，以便选择性地相对于井架垂直移动。例如，致动器可以连接到垂直导轨的下轨道部分。致动器可以配置成相对于井架垂直移动下轨道部分。水平销可以将下轨道部分固定到井架的垂直上的靠上位置。而且，两个轨道部分中的每一个可相对于井架垂直移动。

提升系统可包括移动块。移动块可包括两个间隔开的臂。两个臂中的每一个可以连接到至少一个滑轮。主钻绳可以连接到移动块的滑轮。主钻绳可以连接到第一卷轴。

提升系统可包括挂钩台车。挂钩台车可以可滑动地连接到垂直导轨。挂钩台车也可以连接到移动块。升降机可以可释放地连接到挂钩台车。升降机可以包括气缸和多脚架，该多脚架构造成在气缸的致动下打开或闭合。

提升系统可包括顶驱台车。顶驱台车可以选择性地悬挂在两个轨道部分中的一个上，和/或可以可滑动地连接到垂直导轨上。顶驱台车可以选择性地与移动块和/或挂钩台车断开离。顶驱系统可以连接到顶驱台车。

提升系统可包括控制器。控制器可以被编程为以第一顺序自动地使两个轨道部分中的第一轨道部分与垂直导轨的上轨道部分断开，连接到第一轨道部分的两个门中的第一门相对于井架旋转到井架旁边的外部位置，第一轨道部分相对于第一门从第一门的一侧旋转到第一门的相对侧，以及第一门相对于井架旋转到井架下方的内部位置。控制器可以进一步被编程为在第一顺序中散布的第二顺序中自动地使得两个门中的第二门相对于井架旋转到井架旁边的外部位置，两个轨道部分中的第二轨道部分相对于第二门从第二门的一侧旋转到第二门的相对侧，第二门相对于井架旋转到井架下方的内部位置，以及第二轨道部分与垂直导轨的上轨道部分连接。

提升系统可以包括管道装卸台车，其可以连接到挂钩台车上方的垂直导轨。辅助钻绳可以连接到管道装卸台车。例如，辅助钻绳可以直接连接到管道装卸台车。辅助钻绳可以连接到第二卷轴，第二卷轴可以与第一卷轴不同。提升爪可以连接到管道装卸台车。提升爪可包括气缸和一对叉头，其构造成在由气缸致动的情况下一致地打开或闭合。

控制器可以替代地或另外地被编程为按顺序自动地在升降机中卡住管件的情况下升起挂钩台车，提升爪抓住管件，在打开升降机时降低挂钩台车，在提升爪中卡住管件的情况下升降管道装卸台车。作为另外一种选择或除此之外，控制器可被编程为按顺序自动地在提升爪中卡住管件的情况下升降管道装卸台车，在升降机卡住管件的同时升起挂钩台车，打开提升爪，以及在升降机中卡住管件的情况下降低挂钩台车。

本公开描述了使用提升系统的方法，所述提升系统可以是用于钻机的管件处理系统的一部分。

该方法可以包括以下步骤：提供连接到钻机的井架的垂直导轨，连接到垂直导轨的挂钩台车，可释放地连接到挂钩台车的升降机，连接到挂钩台车上方的垂直导轨的管道装卸台车和连接到管道装卸台车的提升爪。

该方法可以包括沿垂直导轨独立于管道装卸台车移动挂钩台车的步骤。在一些实施方案中，该方法可以包括以下顺序的步骤：在升降机中卡住管件的情况下升起挂钩台车，用提升爪抓住管件，在打开升降机的同时降低挂钩台车，以及在降低挂钩台车的同时将管件存放在立根盒。在一些实施方案中，该方法可以另外地或替代地包括以下顺序的步骤：在升起挂钩台车的同时从立根盒供应管件，用升降机卡住管件的同时升起挂钩台车，打开提升爪，以及在升降机中卡住管件的情况下降低挂钩台车。

将管件存放在立根盒中和/或从立根盒供应管件可以包括以下步骤：在提升爪中抓住管件来升降管道装卸台车。

本公开描述了一种用于处理钻机上管件的方法。钻机包括钻台，提升系统，提升系统包括从钻台竖立的井架，位于钻台上的立根盒，以及连接到立根盒上方的井架的指板。

该提升系统可以包括：垂直导轨，其可连接到井架。提升系统还可包括台车，其可连接到垂直导轨。台车也可以连接到钻绳。提升系统还可包括升降机和/或提升爪，其可连接到台车。在一些实施例中，提升爪可包括一对叉状物，其构造成一起打开或关闭。升降机和/或提升爪可包括分别用于检测升降机和/或提升爪的打开和关闭位置的反馈装置。控制器可以被编程为基于由检测打开和关闭位置的反馈装置产生的信号来致动升降机和/或提升爪。提升系统还可包括用于检测提升重量的反馈装置。提升系统还可以进一步包括用于检测升降机和/或提升爪中管件的存在的反馈装置。

管件处理系统可包括下机械手和上机械手，下机械手可位于钻台上方，上机械手可位于指板上方。下机械手和/或上机械手可包括腕部，该腕部经由偏转关节装置连接到铰接臂的远端。例如，偏转关节装置可包括俯仰接头和与其连接的滚动接头。下机械手和/或上机械手还可包括通过滚动接头连接到腕部的机械接口。滚动接头可包括扭矩反馈装置。控制器可以被编程为致动铰接臂以保持腕部基本水平。控制器还可以被编程为使由滚动接头施加到管件上的扭矩最小化。下机械手和/或上机械手还可以进一步包括末端执行器。末端执行器可以从机械接口伸出。

下机械手和/或上机械手的末端执行器可包括爪。该爪可包括一层或多层低摩擦材料。在一些实施例中，该爪可包括固定的弧形指状物，其基本上与腕部成直线设置并固定到机械接口。固定的弧形指状物可包括第一板和与第一板偏移的第二板。该爪还可包括铰接在固定弧形指状物的近端上的可移动的弧形指状物。可移动的弧形指状物可位于形成固定的弧形指状物的第一板和第二板之间。固定弧形指状物和可动弧形指状物中的每一个都可在其凸起部分中包括一层低摩擦材料。该爪还可包括用于检测爪中管件的存在的反馈装置。爪还可以进一步包括用于检测爪的打开和闭合位置的反馈装置。控制器还可以被编程为基于由检测打开和关闭位置的反馈装置产生的信号来致动该爪。

在一些实施例中，末端执行器还可包括支架，该支架基本上垂直于腕部设置并固定到固定弧形指状物的近端。末端执行器还可包括爪致动器，其可基本上沿支架设置。爪致动器可具有连接到支架的第一端和连接到可移动弧形指状物的第二端。例如，爪致动器可包括液压缸，导螺杆机构，滚珠螺杆机构。

在一些实施例中，管件处理系统可包括控制器，该控制器被编程为按顺序自动地执行以下动作的所有集合或子集：使用升降机和/或提升爪保持住管件的上端；检测升降机和/或提升爪中管件的存在；使用下机械手的爪保持住管件的下端；检测在下机械手的爪中管件的存在；使用提升系统提升管件；检测管件的重量；使用下机械手将管件下端定位在立根箱上的预定位置；使用提升系统降低管件在立根箱上；检测无重量，使用上机械手的爪保持住管件的上端；检测上机械手的爪中管件的存在，从升降机或者和/或提升爪释放管件的上端；以及使用上机械手将管件的上端定位在指板中的预定位置处。

在一些实施例中，管件处理系统可包括控制器，该控制器被编程为按顺序自动地执行以下动作的所有集合或子集：使用上机械手的爪保持住位于指板中的预定位置的管件的上端，检测上机械手的爪中管件的存在，使用下机械手的爪保持住管件的下端，检测在下机械手的爪中管件的存在，使用上机械手将管件的上端定位在升降机和/或提升爪中，使用升降机和/或提升爪保持住管件的上端，检测管件在升降机和/或提升爪中的存在，从上机械手的爪中释放管件的上端，使用提升系统提升管件，检测管件的重量，将管件的下端定位在井中心上方的预定位置处，以及将管件下降至井中心上。

本公开还描述了在钻机上处理管件的方法。钻机可包括设置钻台上井架相对侧上的的两个立根箱。

处理管件的方法可包括提供本文所述的下机械手和/或上机械手的步骤。

处理管件的方法可以包括使用下机械手的末端执行器来保持住井中心上方的提升系统悬挂的第一管件的步骤。可以在保持下机械手的铰接臂大致处于下机械手的中立方向的同时，执行在井中心上方悬挂的第一管件的抓握。处理管件的方法可包括使用下机械手的铰接臂将下机械手的腕部朝向两个立根箱中的第一个立根箱的步骤。处理管件的方法可包括使用下机械手的铰接臂将第一管件的下端定位在第一立根箱上的第一预定位置的步骤。可以在保持下机械手的铰接臂的定向在距离下机械手的中立方向的大约小于八分之一圈内的同时，执行第一管件的下端在第一预定位置处的定位。处理管件的方法可以包括使用上机械手的末端执行器来保持住在两个立根箱中的第一个立根箱上由提升系统降低的第一管件的步骤。可以在保持上机械手的铰接臂大致处于上机械手的中立方向的同时，执行在第一立根箱上下降第一管件的抓握。处理管件的方法可以包括使用上机械手的铰接臂将上机械手的腕部朝向两个指板中的第一个指板的步骤，所述两个指板可以位于两个立根箱中的第一个立根箱之上。处理管件的方法可包括使用上机械手的铰接臂将第一管件的上端定位在第一指板中的第一预定位置的步骤。可以在保持上机械手的铰接臂的方向在小于上机械手的中立方向的大约八分之一圈内的同时，执行第一管件的上端在第一预定位置处的定位。

处理管件的方法可包括以下步骤：使用下机械手的滚动接头将下机械手的末端执行器旋转大约半圈，并使用上机械手的滚动接头旋转末端上机械手的末端执行器大约半圈。

处理管件的方法可包括使用下机械手的末端执行器来保持住从井中心上方的提升系统悬挂的第二管件的步骤。可以在保持下机械手的铰接臂大致处于下机械手的中立方向的同时执行悬挂在井中心上方的第二管件的抓持。处理管件的方法可包括使用下机械手的偏转关节装置将下机械手的腕部朝向两个立根箱中的第二个立根箱的步骤。处理管件的方法可包括使用下机械手的铰接臂将第二管件的下端定位在第二立根箱上的第二预定位置的步骤。可以执行第二管件的下端在第二预定位置处的定位，同时保持下机械手的铰接臂的方向在距离下机械手的中立方向的小于大约八分之一圈内。处理管件的方法可包括使用上机械手的末端执行器来保持住由提升系统降低在两个立根箱中的第二个立根箱上的的第二管件的步骤。可以在保持上机械手的铰接臂大致处于上机械手的中立方向的同时，执行下降在第二立根箱上的第二管件的保持。处理管件的方法可以包括使用上机械手的偏转关节装置将上机械手的腕部朝向两个指板中的第二个指板的步骤，该指板可以位于两个立根箱中的第二个立根箱之上。处理管件的方法可包括使用上机械手的铰接臂将第二管件的上端定位在第二指板中的第二预定位置的步骤。可以执行第二管件的上端在第二预定位置中的定位，同时保持上机械手的铰接臂的方向在距上机械手的中立方向的大约小于八分之一圈内。

附图说明

为了更详细地描述本公开的实施方案，现在将参考附图，其中：

图1是根据管件处理系统的实施方案的提升系统的透视图，并且示出了两个轨道部分，其可以在提升系统的竖直导轨中彼此替换；

图2是图1中所示的提升系统的透视图，其中提升系统以运行构造示出；

图3是图1中所示的提升系统的透视图，其中提升系统以停置构造示出；

图4A是控制器的一部分的示意性俯视图，该控制器被编程用于将图1中所示的提升系统设置成运行或停置构造，其中虚线示出从顶部观察的停置构造；

图4B是控制器的一部分的示意性正视图，该控制器被编程用于将图1中所示的提升系统设置成运行或停置构造；

图5是根据管件处理系统的实施方案的提升系统的透视图，并且示出了连接到提升系统的垂直导轨的挂钩台车；

图6是图5中所示的提升系统的透视图，并且示出了挂钩台车和管道装卸台车，两者都连接到提升系统的垂直导轨；

图7是控制器的示意图，该控制器被编程用于使设置在挂钩台车上的保持装置和设置在管道装卸台车上的保持装置之间同步交接钻杆支架；

图8是根据管件处理系统的实施方案的下机械手的透视图，并且示出了下机械手将管件的下端定位在第一立根盒上；

图9是根据管件处理系统的实施方案的上机械手的透视图，并且示出了上机械手将管件的上端定位在位于第一立根盒上方的第一指板上；

图10是图8中所示的下机械手的末端执行器部分的透视图；

图11是控制器的示意图，该控制器被编程为当钻杆的支架由图8中所示的下机械手或图9中所示的上机械手定位时，调节钻杆支架的倾斜；

图12A和12B分别是图8中所示的下机械手的末端执行器部分或图9中所示的上机械手处于打开和关闭位置的俯视图；

图13是根据管件处理系统的实施方案的被编程用于扒出管的控制器的示意图；

图14A-14I示出了在管件扒出(起钻)期间管件处理系统的一系列位置；

图15A-15C是由提升系统和卡瓦执行的用于管件扒出(下钻)的方法流程图；

图16A-16B是由上机械手执行的用于管件扒出(下钻)的方法的流程图；

图17A-17B是由下机械手执行的用于管件扒出(下钻)的方法的流程图；

图18A-18B是根据管件处理系统的实施例的由钻井工人执行的用于管件扒出(下钻)的方法的流程图；和

图19A和19B是图8中所示的下机械手的透视图，其中下机械手的末端执行器旋转大约半圈以将管件存放在位于井架的相对侧上的两个立根盒上。

具体实施方式

应理解，以下公开内容描述了用于实现本发明的不同特征，结构或功能的若干示例性实施方案。以下描述组件，布置和构造的示例性实施方案以简化本公开；然而，这些示例性实施方案仅作为示例提供，并不旨在限制本发明的范围。另外，本公开可以在各种示例性实施方案中以及在本文提供的附图中重复参考数字和/或字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身并不表示各附图中讨论的各种示例性实施方案和/或构造之间的关系。最后，以下呈现的示例性实施方案可以以任何方式的组合进行组合，即，在不脱离本公开的范围的情况下，可以在任何其他示例性实施方案中使用来自一个示例性实施方案的任何元件。

除非另外具体说明，否则本公开中的所有数值可以是近似值。因此，在不脱离预期范围的情况下，本公开的各种实施方案可以偏离本文公开的数量，值和范围。此外，在以下描述中在第二特征之上或上形成第一特征可以包括其中第一和第二特征直接接触形成的实施方案，并且还可以包括其中可以形成插入第一特征和第二特征的附加特征使得第一和第二特征可以不直接接触的实施方案。

贯穿以下描述和权利要求的某些术语是指特定组件。如本领域普通技术人员将理解的，各种实体可以通过不同的名称来指代相同的组件，并且因此，除非本文另外特别定义，否则本文描述的元件的命名约定不旨在限制本发明的范围。此外，本文使用的命名约定不旨在区分名称不同但不是功能不同的组件。

本文公开了用于装卸钻机上的管件的系统。在一些实施方案中，钻机包括钻台，从钻台竖立的井架，位于井架相对侧上的钻台上的两个立根盒，以及在两个立根盒中的每一个上方连接到井架的两个指板。在一些实施方案中，用于装卸管件的系统包括提升系统，该提升系统被构造成将顶驱器停置在井架后面。在一些实施方案中，用于装卸管件的系统包括提升系统，该提升系统包括升降机和提升爪，其可沿着垂直导轨独立移动使得可在升降机定位以拾取钻柱的同时操纵钻杆支架。在一些实施方案中，用于装卸管件的系统包括下机械手，上机械手和升降机或提升爪，其协作以自动化地将支架存放两个立根盒和/或从两个立根盒供应支架。

图1，2，3，4A和4B示出了用于钻机的提升系统10的实施方案。提升系统10能够将顶驱系统52停置在钻机的井架14后面。当设置为停置构造时(如图3所示)，顶驱系统52位于井架14的后面，处于不妨碍将支架存放到立根盒90和100中的位置，立根盒90和100通常位于井架14的两侧后。此外，当设置为在停置构造时，顶驱系统52从其运行构造(如图2所示)翻转，以便例如为了更易于执行其维护。

参考图1，提升系统10包括垂直导轨20，其连接到钻机的井架14。垂直导轨20包括两个轨道部分18，其可在垂直导轨20中彼此替换。因此，两个轨道部分18中的任何一个选择性地形成垂直导轨20的一部分。

提升系统10包括顶驱台车50，顶驱系统52可以连接到顶驱台车50。例如，当设置为运行构造时(如图2所示)，顶驱台车50可以通过挂钩台车46连接到移动块38，并且可以可滑动地连接到垂直导轨20。因此，当设置为运行构造时，顶驱台车50可以沿着垂直导轨20与挂钩台车46和移动块38一起行进。为了将顶驱系统52设置为停置构造(如图3所示)，顶驱台车50选择性地与挂钩台车46和/或移动块38断开，并且当断开时，顶驱台车50悬挂在两个轨道部分18中形成垂直导轨20的一部分的一个上。顶驱台车50悬挂在其上的两个轨道部分中的一个可以在垂直导轨20中由两个轨道部分18中的另一个替换，如图2和3之间所示。

为了用两个轨道部分18中的一个替换垂直导轨20中的两个轨道部分18中的另一个，提升系统10包括两个门12。两个门12中的每一个可以连接到钻机的井架14，以便相对于井架14旋转。例如，钻机的井架14包括两个间隔开的桁架16。两个门12中的每一个可以连接到两个桁架16中相应的一个。两个门12中的每一个都能够在第一位置(图2、3中示出，并且在图4A中以虚线示出)和第二位置之间(如图1所示，并且在图4A中以实线示出)旋转，在第一位置，门位于两个桁架16之间的空间中，第二位置是从第一位置旋转大约四分之一圈。两个门12中的每一个可以由连接到门并驱动齿轮装置的相应第一电动机34(例如，图2中所示的液压电动机)致动。此外，两个轨道部分18中的每一个可以连接到两个门12中相应的一个，以便相对于两个门12中所述相应的一个旋转。例如，两个轨道部分18中的每一个能够从两个门12中的相应的一个门的一侧的第一位置(图2中所示)旋转大约半圈到所述门的相对侧的第二位置(如图3示出，并且在图4A中以虚线示出)。两个轨道部分18中的每一个可以由连接到门并驱动齿轮装置的相应第二电动机36(例如，图2中所示的液压电动机)致动。

为了选择性地将两个轨道部分18中的任何一个固定到垂直导轨20，两个轨道部分18中的每一个包括至少一个立销22。垂直导轨20的上轨道部分24可包括至少一个垂直孔26，其尺寸适于容纳至少一个立销22。此外，两个轨道部分18中的每一个可包括至少一个第二垂直孔28。垂直导轨20的下轨道部分30可包括至少一个第二立销32，其尺寸适于容纳在至少一个第二垂直孔28中。下轨道部分30可以连接到钻机的井架14，以便相对于井架14垂直移动。轨道致动器98(例如，图4B中所示的液压缸)连接到垂直导轨20的下轨道部分30。致动器可以配置成相对于井架14垂直移动下轨道部分30。而且，两个轨道部分18中的每一个可相对于两个门12中的相应的一个和/或相对于井架14垂直地移动。两个轨道部分18中的每一个可以在其自重的作用下向下移动。两个轨道部分18中的每一个可在与下轨道部分30接合和被其提升时向上移动。为了将下轨道部分30固定在井架14上的垂直上的靠上位置，可滑动地设置在连接到下轨道部分30的圆筒内的水平销102(图4B中所示)可以接合井架14中的水平孔112(如图4B所示)当下轨道部分30到达垂直上的靠上位置时，水平孔112与水平销102对齐。

参考图4A和4B，提升系统10可包括停置控制器200。在一些实施方案中，停置控制器200可以被编程为按顺序自动地引起所有以下动作或其子集：从图2中所示的运行构造开始，(i)两个轨道部分18中的一个(在图1中的井架14的左侧示出)从垂直导轨20的上轨道部分24和下轨道部分30断开(ii)两个门12中的一个门(图1，2和3中的井架14的右侧所示)相对于井架14旋转到井架14旁边的外部位置，(iii)两个门12中的另一个门(图1，2和3中的井架14的左侧所示)相对于井架14旋转到井架14旁边的外部位置，(iv)两个轨道部分18中的先前断开的一个(在图1中的井架14的左侧示出)相对于两个门12中的所述另一个门从所述另一个门的一侧旋转到所述另一个门的相对侧，(v)两个轨道部分18中另一个(在图1中的井架14的右侧示出)相对于所述一个门从所述一个门的一侧旋转到所述一个门的相对侧，(vi)所述一个门(图1，2和3中的井架14的右侧所示)相对于井架14旋转到井架14下方的内部位置，(vii)所述另一个门(图1，2和3中的井架14的左侧所示)相对于井架14旋转到井架14下方的内部位置，以及(viii)两个轨道部分18中的另一个(在图1中的井架14的右侧示出)与垂直导轨20的上轨道部分24和下轨道部分30连接，以到达图3中所示的停置构造。

在一些实施方案中，两个门12和两个轨道部分18可以不设计用于支撑相同的重量。例如，图1中的井架14的左侧所示的两个门12中的一个，以及图1中的井架14的左侧所示的两个轨道部分18中的一个可以被设计用于支撑顶驱系统52的重量并且可以分别称为停置门和停置轨道部分。图1中的井架14的右侧所示的两个门12中的另一个，以及图1中的井架14的右侧所示的两个轨道部分18中的另一个可不被设计用于支撑顶驱系统52的重量，并且可以分别称为运作门和运作轨道部分。在顶驱系统52的运作期间，垂直导轨20可以由下轨道部分30，运作导轨部分和上轨道部分24形成。为了停置顶驱系统52，顶驱系统52和顶驱台车50首先定位在上轨道部分24上。然后，运作轨道部分由停置轨道部分替换。然后，顶驱系统52和顶驱台车50下降并悬挂在停置轨道部分上。例如，停置轨道部分可包括固定到停置轨道部分的止动件，并且止动件可支撑顶驱台车50。然后，顶驱台车50与挂钩台车46断开并在上轨道部分24中升起。然后，停置轨道部分被云作轨道部分替换回来。

虽然图1，2，3，4A和4B描述了顶驱系统52的停置，但是本领域普通技术人员鉴于本公开的益处可以容易地理解提升系统10也能够使顶驱系统52解除停置并使其可用于沿垂直导轨20滑动，例如，以便钻井。

图5，6和7示出了用于钻机的提升系统10的实施方案。当钻柱向上起钻(即起钻操作)时，提升系统10能够保持和/或提升先前与钻柱断开的钻杆支架的上端，同时定位移动块38以拾取钻头的保持在卡瓦中的其余部分。这样，移动块38可以移动到适当位置以拾取钻柱的其余部分，同时支架被存放到立根盒90和/或100中。相反，当钻柱向下钻进(即下钻操作)时，提升系统10能够保持和/或提升钻杆支架的上端，以连接到钻柱的其余部分，同时移动块38被定位以拾取由支架延伸的钻柱。这样，移动块38可以移动到适当位置以拾取由支架延伸的钻柱，同时从立根盒90和/或100供应支架。

参考图5，为了使移动块38前方的空间畅通无阻，移动块38包括两个间隔开的臂40。两个臂40中的每一个连接到至少一个滑轮42。主钻绳44连接到移动块38的滑轮。主钻绳44连接到第一卷轴108(图7中示出)，第一卷轴108连接到绞车(未示出)。

参考图6，提升系统10包括挂钩台车46，其可滑动地连接到垂直导轨20。挂钩台车46还连接到移动块38和/或主钻绳44。升降机48可释放地连接到挂钩台车46和/或移动块38。例如，在顶驱台车50(图1，2和3中所示)与挂钩台车46断开之后，升降机48可以连接到挂钩台车46。升降机48可包括汽缸和构造成在气缸的致动下打开或闭合的多脚架，以及反馈装置。

提升系统10进一步包括管道装卸台车54，其连接到挂钩台车46上方的垂直导轨20。辅助钻绳56连接到管道装卸台车54。例如，辅助钻绳56可以直接连接到管道装卸台车54。辅助钻绳56连接到第二卷轴110(图7中示出)，第二卷轴110与第一卷轴108不同，并且也连接到绞车(未示出)。因此，挂钩台车46和管道装卸台车54可以沿着垂直导轨20独立地移动。提升爪58连接到管道装卸台车54。提升爪58包括气缸和一对叉头，其构造成在由气缸致动的情况下一致地打开或闭合。优选地，当在闭合位置被致动时，提升爪58可以不夹住钻杆支架，但是可以保持升降机上置于支架。在一些实施方案中，提升爪58包括用于检测提升爪58的打开和闭合位置的反馈装置(例如，接触开关或其他位置传感器)。

参考图7，提升控制器202被编程为基于由反馈装置产生的用于检测打开和闭合位置的信号来致动提升爪58。提升系统10优选地包括反馈装置(例如，连接到辅助钻绳56的缆绳张力计或围绕提升爪58设置的其他力传感器)，用于检测提升的重量。而且，提升系统10优选地包括另一个反馈装置(例如，接近度传感器或围绕提升爪58设置的其他电磁传感器)，用于检测提升爪58中管件的存在。

在钻柱向上起钻的过程(即起钻操作)中，在钻柱保持在升降机48中的情况下，挂钩台车46可以被升起。然后钻柱可以保持在卡瓦中。在一些实施方案中，提升控制器202被编程为按顺序自动地引起所有以下动作或其子集：打开提升爪58，检测提升爪58的打开位置，以及降低挂钩台车46。然后，随着挂钩台车46下降，钻柱可以滑过升降机48，并且可以自由地穿过设置在移动块38前面的无阻碍空间，如图6中最佳所示。提升控制器202还可以被编程为按顺序自动地引起所有以下动作或其子集：检测提升爪58中钻柱的存在，用提升爪58保持住钻柱，检测提升爪58的闭合位置。

管道装卸台车54可以不设计用于悬挂整个钻柱的重量，而是仅与钻柱的其余部分断开的钻杆支架的重量。因此，在支架已经从钻柱断开之后，例如使用铁钻工(iron-roughneck)，在钻杆支架预先与提升爪58中保持的钻柱断开的情况下，管道装卸台车54可以升高或降低，例如以将支架存放在立根盒90或100中。因为支架的上端现在固定在提升爪58中，所以可以在打开升降机48的同时降低挂钩台车46，以准备拾取钻柱的其余部分，从而加速管道装架。

在钻柱向下钻进的过程(即下钻操作)中，挂钩台车46可以用在升降机48中保持钻柱的情况下被降低。然后钻柱可以保持在卡瓦中。然后可以升起挂钩台车46以准备拾取正在延伸的钻柱，同时可以在提升爪58中保持钻杆支架的情况下，升高或降低管道装卸台车54。钻杆支架可以自由地穿过设置在移动块38前面的无阻碍空间。支架可以连接到钻柱，例如使用铁钻工。在一些实施方案中，提升控制器202可替代地或另外被编程为按顺序自动地引起所有以下动作或其子集：检测提升爪58中钻柱支架的存在，关闭提升爪58，在使用升降机48保持已经连接至钻杆支架的钻柱的同时升起挂钩台车46，检测升降机48的闭合位置，打开提升爪58，以及检测提升爪58的打开位置。然后，挂钩台车46可以在升降机48中保持住钻柱的情况下被降低。

图8示出了位于钻台上方的下机械手60的实施方案，图9示出了位于指板104，106上方的上机械手62。下机械手60和上机械手62优选地具有类似的设计。下机械手60和上机械手62能够分别定位钻杆支架的下端和上端，而不必提升支架的重量。这样，下机械手60和/或上机械手62可以包括商业上广泛可用的标准类型的铰接臂64。

下机械手60和/或上机械手62包括腕部66，腕部66经由偏转关节装置68连接到铰接臂64的远端。所示的偏转关节装置68包括俯仰接头和与其连接的滚动接头，然而偏转关节装置68可以简单地包括俯仰接头。铰接臂64还包括俯仰接头246。下机械手60和/或上机械手62还包括机械接口70，机械接口70经由滚动接头114连接到腕部66。滚动接头114优选地包括扭矩反馈装置。机械手控制器204或205(图11中所示)优选地被编程以致动铰接臂以保持腕部66基本水平(例如，距离水平方向在10度或更少之内，以及可选地在距离水平方向5度以内)。

图10示出了下机械手60和/或上机械手62的末端执行器72。末端执行器72从机械接口70突出。末端执行器72包括爪74。

为了避免由定位支架而施加在爪74上的提升力，爪74优选地在支架上松散地闭合。而且，爪74可以装配有接触支架的一层或多层低摩擦材料(例如，可穿戴的氟塑料或其他低摩擦金属合金，其具有低于0.2的管钢静摩擦系数)。

为了在由下机械手60或上机械手62定位支架时容纳支架的倾斜，机械手控制器204或205优选地被编程为通过爪74，例如通过释放(即不加电)控制滚动接头114的执行器，使由滚动接头114施加到支架的扭矩最小化。而且，爪74可以沿着腕部66的方向伸长。

在一些实施方案中，爪74包括固定的弧形指状物76，其基本上与腕部66成直线布置并固定到机械接口70。固定的弧形指状物76包括第一板78和从第一板78偏移的第二板80。爪74还包括可移动的弧形指状物82，其铰接在固定的弧形指状物76的近端上。可移动的弧形指状物82位于第一板78和第二板80之间，形成固定的弧形指状物76。固定的弧形指状物76和可移动的弧形指状物82中的每一个优选地在其凸起部分中包括一层低摩擦材料。

在一些实施例中，下机械手60的末端执行器72和/或上机械手62被配置为可以容易地与机械接口70断开，并且可以容易地由类似或不同的末端执行器替换。可与下机械手60一起使用的不同的末端执行器的示例包括配置为用于柱高测量的末端执行器，配置为用于管道涂料的末端执行器，配置为用于容纳泥浆的末端执行器(即，包括泥浆桶)，被配置为用于检查线程的末端执行器，和/或被配置为应用或移除螺纹保护器的末端执行器。

参照图11，爪74优选地包括反馈装置(例如，接近度传感器或围绕爪74设置的其他电磁传感器)，用于检测爪74中管件的存在。而且，爪74优选地包括用于检测爪74的打开和闭合位置的另一个反馈装置(例如，接触开关或其他位置传感器)。机械手控制器204或205可以被编程为基于由反馈装置产生的用于检测打开和闭合位置的信号来致动爪74。在一些实施方案中，末端执行器72还包括托架84，托架84基本上垂直于腕部66布置并固定到固定的弧形指状物76的近端。末端执行器72还包括爪致动器86(例如，液压缸，导螺杆机构，滚珠丝杠机构)，其基本上沿托架84布置。爪致动器86具有到托架84的第一连接和到可移动的弧形指状物82的第二连接。

参考图12A-12B，下机械手60的末端执行器72和/或上机械手62被配置成在保持支架或管件92时，或者当将支架或管件92定位在预定位置时，避免或减少对存储在立根箱90或100和/或指板104或106中的其他支架或管件的干扰。当可移动的弧形指状物82处于图12A所示的打开位置时，固定的弧形指状物76可以插入任何两个支架或管件之间，所述支架或管件沿着包装的支架或管件的格子的至少一个外部行300对齐，而没有托架84干扰外部行300上的支架或管件。当可移动的弧形指状物82处于图12B所示的关闭位置，并且保持住支架或管件92时，支架或管件92可以定位在至少延外部行300的任何自由位置上，而没有托架84干扰外部行300上的支架或管件。

参考图13，在管件处理系统用于起钻杆(即，起钻操作)的实施例中，在管件处理系统用于使柱向上起钻的实施方案中，管件处理系统包括扒出控制器206，其被编程为按顺序自动地引起所有以下动作或其子集：(i)使用提升爪58或升降机48保持住支架的上端，(ii)检测提升爪58或升降机48中支架的存在，(iii)使用下机械手60的爪74保持住支架的下端，(iv)检测下机械手60的爪74中支架的存在，(v)使用提升系统10提升支架，(vi)检测支架的重量,(vii)使用下机械手60将支架的下端定位在立根盒90或100上的预定位置，(viii)使用提升系统10将支架降低在立根盒90或100上，(ix)检测无重量，(x)使用上机械手62的爪74保持住支架的上端，(xi)检测上机械手62的爪74中支架的存在，(xii)从提升爪58或升降机48释放支架的上端，以及(xiii)使用上机械手62将支架的上端定位在指板104或106中的预定位置。

在支架装卸系统用于使柱向下钻进(即，下钻操作)的实施方案中，扒出控制器206可替代地或另外被编程为按顺序自动地引起所有以下动作或其子集：(i)使用上机械手62的爪74保持住定位在指板104或106中的预定位置处的支架的上端，(ii)检测上机械手62的爪74中支架的存在，(iii)使用下机械手60的爪74保持住支架的下端，(iv)检测下机械手60的爪74中支架的存在，(v)使用上机械手62将支架的上端定位在提升爪58或升降机48中，(vii)使用提升爪58或升降机48保持住支架的上端，(viii)检测提升爪58或升降机48中支架的存在，(ix)从上机械手62的爪74释放支架的上端，(x)使用提升系统10提升支架，(xi)检测支架的重量，(xii)将支架下端在井中心94上方的预定位置处定位，和(xiii)将支架降低在井中心94上。

虽然本公开涉及用于执行特定动作序列的停置控制器200，提升控制器202，机械手控制器204(与下机械手60相关)，机械手控制器205(与上机械手62相关)铁钻工控制器207，和扒出控制器206，但是一些控制器可以从属于其他控制器。例如，如图13所示，停置控制器200，提升控制器202和机械手控制器204，205从属于扒出控制器206。这样，一些子序列的动作可以由扒出控制器206启动，然后由停置控制器200，提升控制器202或机械手控制器204，205控制，之后控制被移交给扒出控制器206。而且，控制器可以被组合和/或重新排列以执行其他动作序列。

参考图14A-14I，示出了在起钻操作期间，根据一个实施例的在不同的位置的管件处理系统。在该实施例中，例如如图5所示，提升系统10包括井架14，主钻绳，移动块，挂钩台车46和升降机48。然而，辅助线，管道装卸台车，以及提升爪都被省略了。

在图14A中所示的提升系统10的正视图中，包括支架92的钻柱被保持在井中心94上方的卡瓦中。当支架92被主钻绳、移动块、挂钩台车和升降机48提升时，支架92与钻柱的其余部分分开，例如，使用铁钻工166(如图8,14C和14F所示)。钻柱的其余部分可保持在卡瓦中。在图14B所示的正视图中，下机械手60保持住支架92的下端，保持腕部66基本上水平。支架92保持被主钻绳、移动块、挂钩台车和升降机48提升，使得下机械手60不需要提升支架92的重量。如在图14C所述的顶视图中最佳所示，当下机械手60的利用爪74保持住支架92的下端时，下机械手60的铰接臂大致处于下机械手60的中立方向88。

在图14D所示的正视图中，使用下机械手60将支架92的下端定位在立根箱90上的预定位置。在定位期间，机械手控制器优选地被编程为致动铰接臂64以保持腕部66基本水平，并使滚动接头施加到支架92的扭矩最小化，例如通过释放控制滚动接头的位置的致动器。在图14E所示的正视图中，使用主钻绳、移动块、挂钩台车和升降机48将支架92降低在立根箱90上。如图14F所示的顶视图中最佳所示，下机械手60的铰接臂的方向可以保持在距离中立方向88的小于大约八分之一圈的范围内，并且偏转关节装置68用于使腕部66垂直于包装在立根箱90上的支架或管件的格子的外部行300，在托架84不干扰格子中的支架或管件的位置。

在图14G所示的正视图中，上机械手62保持住支架92上的上端，保持腕部66基本上水平。支架92保持降低在立根箱90上，使得上机械手62不需要提升支架92的重量。而且，支架92的上端从升降机48释放。在图14H所示的正视图中，支架92的上端使用上机械手62定位在指板104上的预定位置处。在定位期间，机械手控制器优选地被编程为致动铰接臂64以保持腕部66基本上水平，并且最小化由滚动接头施加到支架92的扭矩，例如通过释放控制滚动接头位置的致动器。如在图14I中所示的俯视图中最佳所见，上机械手62的铰接臂的方向可以保持在距离中立方向88的小于大约八分之一圈的范围内，并且偏转关节装置68用于使腕部66垂直于包装在指板104上的支架或管件的格子的外部行300，在使托架84不会干扰格子中的支架或管件的位置。

虽然图14A-14I示出了起钻序列的位置，本领域技术人员在给出本公开的益处的情况下可以容易地理解，管件处理系统可以用于执行下钻操作，并且下钻顺序的位置类似于按时间顺序相反的起钻顺序。此外，虽然图14A-14I示出了辅助管线、管道装卸台车和提升爪被省略的管件处理系统，但是这些元件可用于保持和/或提升支架92的上端，同时如图5、6和7所示，移动块被定位为拾取保持在卡瓦中的钻柱的其余部分。

返回参考图13，扒出控制器206，停置控制器200，提升控制器202或机械手控制器204,205和铁钻工控制器207可以被编程为实现一个或多个有限状态机。例如，当管件处理系统用于入钻操作时，提升控制器202可以被编程为使提升系统10(包括卡瓦)执行图15A-15C所示的流程图中所示的方法，机械手控制器205可以被编程为使上机械手62执行图16A-16B所示的流程图中所示的方法，机械手控制器204可以被编程为使下机械手60执行图17A-17B所示的流程图中所示的方法，铁钻工控制器207可以被编程为使得铁钻工166执行图18A-18B所示的流程图中所示的方法。

扒出控制器206可以被编程为基于另一有限状态机改变状态为一个有限状态机设置状态，使得提升系统10、上机械手62、下机械手60以及铁钻工266的操作可以被同步。例如，提升控制器202可以与在井中心94处提供的卡瓦相关联的反馈装置通信连接。在检测到卡瓦在钻柱上闭合时，提升控制器202可以向扒出控制器206发送信号。一旦接收到该信号，扒出控制器206就可以将自动完成提升系统10的操作的有限状态机设置为状态118，如图15A和15C所示。扒出控制器206还可以将自动化上机械手62的操作的有限状态机设置为状态138，如图15A，15C和16A所示。如图15A，15C和17A所示，可以将自动化下机械手60的操作的有限状态机设置为状态172，以及如图15A，15C和17B所示，可以将自动化铁钻工166的有限状态机设置成状态220。

提升控制器202可以被编程为实现自动化提升系统10的操作的有限状态机，如图15A-15C所示的流程图所示。参照图15A，扒出控制器206可以最初将有限状态机设置在状态118。状态118的输出是打开升降机48，或者如果使用管道装卸台车，则打开升降爪58。状态118从用于检测升降机48或提升爪58的打开和关闭位置的反馈装置接收输入120。在检测到升降机48或提升爪58已打开时，有限状态机转换到状态122。状态122的输出是升高升降机48，或者如果使用管道装卸台车，则升高提升爪58。状态122从用于检测升降机48的高度或提升爪58的高度的反馈装置接收输入124。当检测到升降机48或提升爪58已经达到适于保持住支架92的上端的高度时，有限状态机转换到状态126。状态126的输出是用于装配升降机48，或者如果使用管道装卸台车，则装配提升爪58。状态126从反馈装置接收输入128，用于检测升降机48或升降机爪58是否装备好。这样，提升系统10可以使用上机械手62和下机械手60接收从立根箱90或100供应的支架92。在检测到升降机48或提升爪58被装备时，有限状态机转换到一个状态(未示出)，其输出是将信号发送到扒出控制器206，使得扒出控制器206可以授权使上机械手62的操作自动转换到状态130的有限状态机。该状态接收来自用于检测升降机48或提升爪58中支架92的存在的反馈装置的输入132。一旦检测到升降机48或提升爪58中支架92的存在，使提升系统10的操作自动化的有限状态机转换到状态134。状态134的输出是关闭升降机48，或者如果使用管道装卸台车，则关闭提升爪58。这样，提升系统10可以保持住支架92的上端。状态134从用于检测升降机48或提升爪58的打开和关闭位置的反馈装置接收输入136。在检测到升降机48或提升爪58关闭时，有限状态机转换到其输出是将信号发送到扒出控制器206的状态(未示出)，使得扒出控制器206可以授权自动操作上机械手62的有限状态机转换到状态162。

转到图15B，扒出控制器206然后可以将使自动控制提升系统10的操作的有限状态机转换到状态188。例如，扒出控制器206可以已经从机械手控制器204接收到信号，该信号指示，在检测到输入186时，使下机械手60的操作自动化的有限状态机已经从状态184转换到状态284(图17A中所示)。该信号可以指示支架92的下端由下机械手60和支架92保持住并且已经准备好被提起。状态188的输出是升高升降机48，或者如果使用管道搬运台车，则升高提升爪58。状态188从用于检测由升降机48或由提升爪58提升的重量的反馈装置接收输入190。在检测到升降机48或提升爪58正在提升适当的重量(对应于支架尺寸)时，有限状态机转换到状态276。状态276的输出是双重的：一是继续升高升降机48，或者如果使用管道装卸台车，继续升高提升爪58，二是向扒出控制器206发送信号，使得扒出控制器206可以授权自动化下机械手60的操作的有限状态机转换到状态192。这样，下机械手60能够定位支架92的下端而不必提升支架92的重量。状态276接收来自用于检测升降机48的高度或提升爪58的高度的反馈装置的输入278。当检测到升降机48或提升爪58是接管高度时，有限状态机转换到空闲状态(未示出)。此外，扒出控制器206然后可以将自动化提升系统10的操作的有限状态机转换到状态286。例如，扒出控制器206可以从机械手控制器204接收信号，该信号表示在检测到输入198时，自动化下机械手60的操作的有限状态机已经从状态196转换到状态290(图17B中所示)该信号可以指示支架92的下端正确地定位在保持在卡瓦中的钻柱上方并准备好连接到钻柱的其余部分。状态286的输出是降低升降机48，或者如果使用管道装卸台车，则降低提升爪58。可以精确地控制降低速率，使得提升系统10和下机械手60同步。这样，下机械手60能够保持住并引导支架92的下端，直到支架92连接到钻柱。状态286从用于检测由升降机48或提升爪58提升的重量的反馈装置接收输入210。当检测到升降机48或提升爪58没有提升重量时，有限状态机转换到状态280。状态280的输出是双重的：一是继续降低升降机48，或者如果使用管道装卸台车，则继续降低提升爪58，使得支架92在连接期间可以继续向下移动，二是将信号发送到扒出控制器206，使得扒出控制器206可以授权自动话下机械手60的操作的有限状态机转换到状态212(图17B中所示)。这样，升降机48或提升爪58继续保持支架92的上端。而且，下机械手60可以移动到等待位置，在该等待位置它不会阻止铁钻工166在支架92和保持在卡瓦中的钻柱之间形成螺纹连接。状态280从用于检测升降机48的高度或提升爪58的高度的反馈装置接收输入282。当检测到升降机48或提升爪58是上扣(make-up)高度时，有限状态机转换为空闲状态(未示出)。

转到图15C，然后，扒出控制器206可以将使提升系统10的操作自动化的有限状态机转换到状态254。例如，扒出控制器206可以从铁钻工控制器207接收到信号，该信号表示在检测到输入252时，自动化铁钻工166的操作的有限状态机已经从状态250(图18B所示)转换到空闲状态(未示出)。该信号可以表示铁钻工166已经完成保持在卡瓦中的支架92和钻柱之间的连接的紧扣，并且钻柱准备好在井眼中下降。状态254的输出是升高升降机48，或者如果使用管道装卸台车，则用升降机48保持住支架92的上端，释放提升爪58，并升高升降机，这是因为管道装卸台车可能不是被设计用于悬挂整个钻柱的重量。状态254从用于检测由升降机48提升的重量的反馈装置接收输入256。在检测到升降机48正在提升适当的重量(对于整个钻柱)时，有限状态机转换到状态258。状态258的输出是打开在井中心94处设置的卡瓦。状态258从与卡瓦相关联的反馈装置接收输入260。在检测到卡瓦打开时，有限状态机转换到状态270。状态270的输出是降低升降机48。状态270接收来自用于检测升降机48的高度的反馈装置的输入272。一旦检测到升降机48已到达桩高度(stump height)，则有限状态机转换到状态274。状态274的输出是关闭钻柱上的卡瓦。状态274从与卡瓦相关联的反馈设备接收输入116。在检测到卡瓦被关闭时，有限状态机转换到一个状态(未示出)，该状态的输出将信号发送到扒出控制器206，使得扒出控制器206可以授权自动化提升系统10的操作的有限状态机转换到状态118，可以授权自动化上机械手62的操作的有限状态机转换到状态138，可以授权自动化下机械手60的操作的有限状态机转换到状态172，并且可以授权自动化铁钻工166的操作的有限状态机转变到状态220。这样，可以对另一个支架96重复添加支架的循环过程。

机械手控制器205可以被编程为实现自动化上机械手62的操作的有限状态机，如图16A-16B所示的流程图所示。参照图16A，扒出控制器206可以最初将有限状态机设置在状态138中。状态138的输出是将上机械手62移动到接下来要提供的支架92的快照位置旁边。状态138从用于检测上机械手62的位置的反馈装置接收输入140。在检测到上机械手62处于快照位置时，有限状态机转换到状态142。状态142的输出是拍摄支架92的上端的位置的快照。这样，机械手控制器205可以适应于支架92的上端的位置的变化。状态142从用于检测管道的位置的反馈装置接收输入144。(例如，电磁或声学接近传感器，相机或其他已知传感器)。在检测到支架92的上端的位置被检测到并被更新时，有限状态机转换到状态146。状态146的输出将上机械手62的爪74移动到先前检测到的支架92上端的位置。状态146从用于检测爪74的位置的反馈装置接收输入148。当爪74的位置与先前检测到的支架92的上端的位置之间匹配时，有限状态机转换到状态150。状态150的输出是关闭爪74。状态150从用于检测爪74的打开和关闭位置的反馈装置接收输入152。在检测到爪74关闭时，有限状态机转换到状态154。状态154的输出是释放上机械手62的铰接臂64和/或释放上机械手62的爪74。这样，上机械手62能够在支架92定位时适应支架92的倾斜。例如，机械手控制器205优选地被编程为通过爪74使由上机械手62的滚动接头114施加到支架92的扭矩最小化，例如通过不驱动控制滚动接头114的位置的致动器。状态154从用于检测控制铰接臂64和/或爪74的位置的致动器的状态的反馈装置(例如，电压传感器，电流传感器，液压传感器)接收输入156。在检测到上机械手62处于释放状态时，有限状态机转换到状态158。状态158的输出是将支架92的上端定位到等待位置。等待位置可以是与井中心94垂直对齐的位置垂直偏移的位置，从而在等待位置，当挂钩台车46和升降机48被升高时，支架92不会干扰挂钩台车46和升降机48，或者如果使用的是管道装卸台车，则支架92不会干扰管道装卸台车46和提升爪58。状态158从用于检测上机械手62的位置的反馈装置接收输入160。在检测到上机械手62的位置处于等待位置时，有限状态机转换到空闲状态(未示出)。

转到图16B，扒出控制器206然后可以将使上机械手62的操作自动化的有限状态机转换到状态130。例如，扒出控制器206可以已经从提升控制器202接收到的信号，该信号指示在检测到输入128时，使提升系统10的操作自动化的有限状态机已经转出状态126(图15A中所示)。该信号可指示升降机48或提升爪58已装备并准备好接收支架92的上端。状态130的输出是将在井中心94上方的支架92的上端定位到升降机48中，或者如果使用管道搬运台车，则将在井架中心94上方的支架92定位到提升爪58中。状态130接收来自反馈装置的输入132，用于检测上机器人62的位置。在检测到上机械手62的位置已经将井中心94上方的支架92的上端定位到升降机48或提升爪58中时，有限状态机转换到空闲状态(未示出)。此外，扒出控制器206然后可以将使上机械手62的操作自动化的有限状态机转换到状态162。例如，扒出控制器206可以已经从提升控制器202接收到信号，该信号表示使提升系统10的操作自动化的有限状态机已经在检测到输入136时，转换出状态134(图15A中所示)。该信号可表示升降机48在支架92的上端关闭，或者如果使用管道装卸台车，提升爪58在支架92的上端封闭。状态162的输出是打开上机械手62的爪74。状态162从用于检测爪74的打开和关闭位置的反馈装置接收输入164。在检测到爪74打开时，有限状态机转换到状态168。状态168的输出是将上机械手62移动到等待位置，例如在指板104和/或106的旁边。状态168从用于检测上机械手62的位置的反馈装置接收输入170。当检测到上机械手62的位置处于等待位置时，有限状态机转换为空闲状态(未示出)。

机械手控制器204可以被编程为实现自动化下机械手60的操作的有限状态机，如图17A-17B所示的流程图所示。参照图17A，扒出控制器206可以最初将有限状态机设置在状态172。状态172的输出是将下机械手60移动到支架92的快照位置旁边以供下一次供应。状态172从用于检测下机械手60的位置的反馈装置接收输入174。在检测到下机械手60处于快照位置时，有限状态机转换到状态176。状态176的输出是为支架92的下端位置拍摄快照。这样，机械手控制器204可以适应于支架92的下端位置的变化。状态176从用于检测管道的位置的反馈装置(例如，电磁或声学接近传感器，相机或其他已知传感器)接收输入178。在检测到并更新了支架92的下端的位置时，有限状态机转换到状态180。状态180的输出是将下机械手60的爪74移动到先前检测到的支架92的下端的位置。状态180从用于检测爪74的位置的反馈装置接收输入182。当爪74的位置与先前检测到的支架92的下端的位置匹配时，有限状态机转换到状态184。状态184的输出是关闭爪74.状态184从反馈装置接收输入186，用于检测爪74的打开和关闭位置。在检测到爪74关闭时，有限状态机转换到状态284。状态284的输出是双重的：一是释放下机械手60的铰接臂64和/或释放下机械手60的爪74，二是将信号发送到扒出控制器206使得扒出控制器206可以授权使提升系统10的操作自动化的有限状态机转换到状态188(如图15B所示)。状态284的输出是释放下机械手60的铰接臂64和/或释放下机械手60的爪74。这样，下机械手60能够在支架90被定位时适应支架的倾斜。例如，机械手控制器204优选地被编程为通过爪74使由下机械手60的滚动接头114施加到由支架92的扭矩最小化，例如通过不驱动控制滚动接头114的位置的致动器。状态284从用于检测控制铰接臂64和/或爪74的位置的致动器的状态的反馈装置(例如，电压传感器，电流传感器，液压传感器)接收输入288。在检测到下机械手60处于释放状态时，有限状态机转换到空闲状态(未示出)。

转到图17B，扒出控制器206然后可以将使下机械手60的操作自动化的有限状态机转换至状态192。例如，扒出控制器206可以已经从提升控制器202接收到信号，该信号表示在检测到输入190时，使提升系统10的操作自动化的有限状态机已从状态188转换到状态276(图15B中所示)。该信号可以表示升降机48或提升爪58已经拾取了支架92的重量。这样，下机械手60然后可以定位支架92的下端而不必抬起支架92的重量。状态192的输出是将支架92的下端定位在井中心94上方。状态192从用于检测下机械手60的位置的反馈装置接收输入194。在检测到下机械手60的位置已经定位在井中心94上方的支架92的下端时，有限状态机转换到状态294。状态196的输出用于为下机械手60的铰接臂64通电和/或关闭下机械手60的爪74。这样，支架94的下端可以被精确地引导到保持在卡瓦中的钻柱的上端(即，桩stump)上方。状态196从用于检测控制铰接臂64的位置的致动器的状态的反馈装置和/或用于检测爪74的打开和关闭位置的反馈装置接收输入198。检测下机械手60的铰接臂64通电和/或下机械手60的爪74关闭时，有限状态机转换到状态290。状态290的输出是双重的：一是在桩的上端上方引导支架92的底端(即，螺纹连接的公扣端)，二是向扒出控制器206发送信号，使得扒出控制器206可以授权使提升系统10的操作自动化的有限状态机转换到状态286。这样，下机械手60和提升系统10同步以降低支架92并使支架92的母扣端与桩的公扣端接合。状态290从用于检测下机械手62的位置的反馈装置接收输入292。在检测到下机械手已经到达指示支架92的母扣端已经下降到桩的公扣端内的位置时，有限状态机转换到空闲状态(未示出)。此外，扒出控制器206然后可以将使下机械手60的操作自动化的有限状态机转换到状态212。例如，扒出控制器206可以已经从提升控制器202接收信号，该信号表示，在检测到输入210时，使提升系统10的操作自动化的有限状态机已经从状态286转换到状态280。该信号可以指示升降机48不再检测到支架92的重量，或者如果使用的是管道装卸台车，则升降爪58不再检测支架92的重量。状态212的输出是打开下机械手60的爪74。这样，支架92可以自由旋转。状态212从用于检测爪74的打开和关闭位置的反馈装置接收输入214。在检测到爪74打开时，有限状态机转换到状态216。状态216的输出是移动下机械手60到等待位置，例如，在立根箱90和/或100的旁边。状态216接收来自用于检测下机械手60的位置的反馈装置的输入218。在检测到下机械手60的位置处于等待位置时，有限状态机转换到空闲状态(未示出)。

铁钻工控制器207可以被编程为实现自动化铁钻工166的操作的有限状态机，如图18A-18B所示的流程图所示。参照图18A，扒出控制器206可以最初将有限状态机设置在状态220中。状态220的输出是将铁钻工166的静态和扭矩扳手的垂直位置预调节到对应于在保持在卡瓦中的钻柱的上端与待供给的支架92之间形成螺纹连接的高度。状态220从用于检测铁钻工166的静态和/或扭矩扳手的垂直位置的反馈装置接收输入222。在检测到扳手位于桩高度时，有限状态机转换到状态224。状态224的输出是将铁钻工位166定位在靠近井94的钻台上的位置。在支架92的下端被套入桩之后，铁钻工166可以优选地到达井中心94。例如，铁钻工166可以行进到恰好离井中心94不远的保持点，直到下机械手60处于等待位置(例如，通过图17B中所示的输入218检测到的)。状态224从用于检测扳手中的桩和/或支架92的下端的反馈装置接收输入226。在检测到桩和/或支架92的下端位于扳手中时，有限状态机转换到状态228。状态228的输出是关闭静止和/或扭矩扳手的钳口。状态228接收来自用于检测铁钻工166的静态和/或扭矩扳手的钳口的位置的反馈装置的输入230。在检测到钳口闭合时，有限状态机转换到状态232。状态232的输出是后向旋转铁钻工166的扭矩扳手。状态232从检测后旋点的反馈装置接收输入234。在检测到后旋点时，有限状态机转换到状态236。状态236的输出是旋转铁钻工166的扭矩扳手。这样，支架92的母扣端上的螺纹与桩的公扣啮合。状态236从用于检测由扭矩扳手施加的扭矩的反馈装置接收输入238。在检测到扭矩指示桩和支架92之间的螺纹连接被承受时，有限状态机转换到状态240。

转到图18B，状态240的输出是扭转连接。状态240从用于检测由扭矩扳手施加的扭矩的反馈装置接收输入242。在检测到扭矩设定点时，有限状态机转换到状态244。状态244的输出打开铁钻工166的静态和/或扭矩扳手的钳口。状态244从用于检测铁钻工166的静态和/或扭矩扳手的钳口的位置的反馈装置接收输入248。在检测到钳口打开时，有限状态机转换到状态250。状态250的输出是用于将铁钻工166定位至钻台上的原始位置(如图14C和14F所示)。状态250从用于检测铁钻工的位置的反馈装置接收输入252。在检测到铁钻工位于原始位置时，有限状态机转换到一个状态，该状态的输出将信号发送到扒出控制器206，使得扒出控制器206可以授权使提升系统10的操作自动化的有限状态机转换到状态254(如图15C所示)。

虽然图15A-18B示出了入钻操作的流程图，但是本领域技术人员在给出本公开的益处的情况下可以容易地理解，管件处理系统可以用于执行起钻操作，并且起钻的位置序列类似于按时间顺序倒序的入钻序列。

图19A和19B示出了下机械手60的末端执行器72的构造如何可以旋转大约半圈以将支架存放在位于井架14的相对侧上的立根盒90和100上。而且，图19A和19B示出了如何使用下机械手60的构造以有利于避免旋转机械手以将支架存储在立根盒90和100任一个中，因此可能加速钻杆支架的耙扒出动。

参照图19A，下机械手60的末端执行器72用于保持在井中心94上方悬挂在提升系统10上的第一支架92。在保持下机械手60的铰接臂64大致处于下机械手60的中立取向88的同时保持住第一支架92。如图8中最佳所示，下机械手60的偏转关节装置68用于将下机械手60的腕部66朝向第一立根盒90定向。下机械手60的铰接臂64用于将第一支架92的下端定位在第一立根盒90上的第一预定位置处。执行第一支架92的下端的定位，同时保持下机械手60的铰接臂64定向在距离下机械手60的中立取向88小于大约八分之一圈内。

虽然图19A示出了下机械手60对第一支架92的操纵，但是上机械手62可以以类似的方式操纵第一支架92。因此，上机械手62的末端执行器72可用于保持住由提升系统10在第一立根盒90上下落的第一支架92。在保持上机械手62的铰接臂64大致处于上机械手62的中立取向88的同时可以保持住第一支架92。如图9中最佳所示，上机械手62的偏转关节装置68可用于将上机械手62的腕部66朝向第一指板104定向，第一指板104可位于第一立根盒90上方。上机械手62的铰接臂64可用于将第一管件的上端定位在第一指板104中的第一预定位置处。可以执行第一管件的上端的定位，同时保持上机械手62的铰接臂64定向在距离上机械手62的中立取向88小于大约八分之一圈内。

现在到图19B，下机械手60的滚动接头114用于使下机械手60的末端执行器72旋转大约半圈。下机械手60的末端执行器72用于保持住在井中心94上方悬挂在提升系统10上的第二支架96。在保持下机械手60的铰接臂64大致处于下机械手60的中立取向88的同时保持住第二支架96。以与图8对称的方式，下机械手60的偏转关节装置68用于将下机械手60的腕部66朝向第二立根盒100定向。下机械手60的铰接臂64用于将第二支架96的下端定位在第二立根盒100上的第二预定位置处。执行第二支架96的下端的定位，同时保持下机械手60的铰接臂64定向在距离下机械手60的中立取向88小于大约八分之一圈内。

类似地，上机械手62的滚动接头114可以用于使上机械手62的末端执行器72旋转大约半圈。上机械手62的末端执行器72可用于保持住由提升系统10在第二立根盒100上下落的第二支架96。在保持上机械手62的铰接臂64大致处于上机械手62的中立取向88的同时可以保持住第二支架96。以与图9对称的方式，上机械手62的偏转关节装置68可用于将上机械手62的腕部66朝向第二指板106定向，第二指板106可位于第二立根盒100上方。上机械手62的铰接臂64可用于将第二支架96的上端定位在第二指板106中的第二预定位置处。可以执行第二管件的上端的定位，同时保持上机械手62的铰接臂64定向在距离上机械手62的中立取向88小于大约八分之一圈内。

虽然图8-图19B中所示的管件处理系统包括下机械手60和上机械手62，但是在一些实施例中，下机械手60可以与另一个装置(例如，支架转移车辆)结合使用以移动管件的上端，并且例如可以省略上机械手62。此外，在一些实施例中，上机械手62可以与用于移动管件的下端的另一装置(例如旋转台和管道搬运器)结合使用，并且例如可以省略下机械手60。

虽然本公开易于进行各种修改和替换形式，但是在附图和描述中通过示例的方式示出了其具体实施例。然而，应该理解的是，附图和对其的详细描述并非旨在将权利要求限制于所公开的特定形式，相反，意图是覆盖落入权利要求范围内的所有修改，等同物和替代物。

Claims (57)

1.一种用于钻机的提升系统，其包括：连接到钻机的井架的垂直导轨；连接到所述垂直导轨并连接到主钻绳的挂钩台车；可释放地连接到所述挂钩台车上的升降机；连接到所述挂钩台车上方的垂直导轨并连接到辅助钻绳的管道装卸台车；和连接到所述管道装卸台车的提升爪，其中所述主钻绳和所述辅助钻绳各自连接到相应的卷轴。

2.根据权利要求1所述的提升系统，其中所述挂钩台车通过连接到所述挂钩台车的移动块连接到所述主钻绳。

3.根据权利要求2所述的提升系统，其中所述移动块包括两个间隔开的臂，所述两个臂中的每一个连接到至少一个滑轮。

4.根据权利要求1所述的提升系统，其中所述管道装卸台车直接连接到所述辅助钻绳。

5.根据权利要求1所述的提升系统，其还包括控制器，所述控制器被编程为按顺序自动地在所述升降机中卡住管件的情况下升起所述挂钩台车，所述提升爪抓住所述管件，在打开所述升降机时降低所述挂钩台车，在所述提升爪中卡住所述管件的情况下升降所述管道装卸台车。

6.根据权利要求5所述的提升系统，其中所述提升爪包括气缸和一对叉头，所述叉头构造成在由所述气缸致动的情况下一致地打开或闭合。

7.根据权利要求5所述的提升系统，其中所述升降机包括气缸和多脚架，所述多脚架构造成在所述气缸的致动下打开或闭合。

8.根据权利要求1所述的提升系统，其还包括控制器，所述控制器被编程为按顺序自动地在所述提升爪中卡住管件的情况下升降所述管道装卸台车，在所述升降机卡住所述管件的同时升起所述挂钩台车，打开所述提升爪，以及在所述升降机中卡住所述管件的情况下降低挂钩台车。

9.根据权利要求8所述的提升系统，其中所述提升爪包括气缸和一对叉头，所述叉头构造成在由所述气缸致动的情况下一致地打开或闭合。

10.根据权利要求8所述的提升系统，其中所述升降机包括气缸和多脚架，所述多脚架构造成在所述气缸的致动下打开或闭合。

11.根据权利要求2所述的提升系统，其包括：连接到顶驱台车的顶驱系统，其中所述顶驱台车选择性地与所述移动块断开，以及两个门，所述两个门中的每一个连接到所述钻机井架例如以相对于所述井架旋转；以及两个轨道部分，所述两个轨道部分中的每一个连接到所述两个门中的相应的一个例如以相对于所述两个门中的所述相应的一个旋转，其中两个轨道部分中的任何一个选择性地形成所述垂直轨道的一部分，并且其中所述顶驱台车选择性地悬挂在所述两个轨道部分中的一个上。

12.根据权利要求11所述的提升系统，其中所述挂钩台车选择性地与所述顶驱台车断开。

13.根据权利要求11所述的提升系统，其中所述两个轨道部分中的每一个包括至少一个立销，其中所述垂直导轨的上轨道部分包括至少一个垂直孔，所述垂直孔的尺寸适于容纳所述至少一个立销，并且其中所述两个轨道部分中每一个相对于所述井架可垂直移动。

14.根据权利要求13所述的提升系统，其中所述两个轨道部分中的每一个还包括至少一个第二垂直孔，其中所述垂直导轨的下轨道部分包括至少一个第二立销，所述第二立销的尺寸适于容纳在所述至少一个第二垂直孔中，并且其中所述下轨道部分连接到所述钻机的所述井架例如以相对于所述井架选择性地垂直移动。

15.根据权利要求14所述的提升系统，其还包括致动器，所述致动器连接到所述垂直导轨的下轨道部分，构造成使所述下轨道部分相对于所述井架垂直移动。

16.根据权利要求14所述的提升系统，其还包括水平销以将所述下轨道部分固定到井架的垂直上的靠上位置。

17.根据权利要求11所述的提升机系统，其中所述钻机的所述井架包括两个间隔开的桁架，其中所述两个门中的每一个连接到所述两个桁架中的相应的一个，并且其中所述两个门中的每一个能够在第一位置和从所述第一位置旋转大约四分之一圈的第二位置之间旋转，在所述第一位置中所述门位于所述两个桁架之间的空间中。

18.根据权利要求11所述的提升系统，其中所述两个轨道部分中的每一个能够从所述两个门中的所述相应的一个的一侧的第一位置旋转大约半圈到所述门的相对侧的第二位置。

19.根据权利要求11所述的提升系统，其还包括控制器，所述控制器被编程为以第一顺序自动地使所述两个轨道部分中的第一轨道部分与所述垂直导轨的上轨道部分断开，连接到所述第一轨道部分的所述两个门中的第一门相对于所述井架旋转到所述井架旁边的外部位置，所述第一轨道部分相对于所述第一门从所述第一门的一侧旋转到所述第一门的相对侧，以及所述第一门相对于所述井架旋转到所述井架下方的内部位置。

20.根据权利要求19所述的提升系统，其中所述控制器还被编程为以在所述第一顺序中散布的第二顺序自动地使所述两个门中的第二门相对于所述井架旋转到所述井架旁边的外部位置，所述两个轨道部分中的所述第二轨道部分相对于所述第二门从所述第二门的一侧旋转到所述第二门的相对侧，所述第二门相对于所述井架旋转到所述井架下方的内部位置，以及所述第二轨道部分与所述垂直导轨的所述上轨道部分连接。

21.一种方法，其包括：提供连接到钻机的井架的垂直导轨，连接到所述垂直导轨的挂钩台车，可释放地连接到所述挂钩台车的升降机，连接到所述挂钩台车上方的垂直导轨的管道装卸台车，和连接到所述管道装卸台车的提升爪；和沿所述垂直导轨独立于所述管道装卸台车移动所述挂钩台车。

22.如权利要求21所述的方法，其还依顺序包括：在所述升降机中卡住管件的情况下升起所述挂钩台车；用所述提升爪抓住所述管件；在打开所述升降机的同时降低所述挂钩台车；以及在降低所述挂钩台车的同时将所述管件存放在立根盒。

23.根据权利要求22所述的方法，其中将所述管件存放在所述立根盒中包括在所述提升爪中卡住所述管件的情况下升降所述管道装卸台车。

24.根据权利要求21所述的方法，其还依顺序包括：升起所述挂钩台车的同时从立根盒供应管件；用所述升降机卡住所述管件的同时升起所述挂钩台车；打开所述提升爪；以及在所述升降机中卡住所述管件的情况下降低所述挂钩台车。

25.根据权利要求24所述的方法，其中从所述立根盒供应所述管件包括在所述提升爪中卡住所述管件的情况下升降所述管道装卸台车。

26.一种用于钻机的管件处理系统，包括钻台，提升系统(10)，所述提升系统包括从所述钻台竖立的井架(14)，位于钻台上的立根盒(90，100)，以及连接到所述立根盒(90,100)上方的所述井架(14)的指板(104,106)，所述管件处理系统包括：

下机械手(60)，其中所述下机械手(60)位于所述钻台上方，所述下机械手(60)包括连接到铰接臂(64)的远端的腕部(66)，机械接口(70)经由滚动接头(114)连接到腕部(66)，以及从所述机械接口(70)突出的末端执行器(72)，并且其中所述末端执行器(72)包括爪(74)，所述爪(74)包括第一反馈装置，用于检测所述爪(74)中的管件(92,96)的存在；

所述提升系统(10)包括连接到所述井架(14)的垂直导轨(20)，连接到所述垂直导轨(20)并连接到钻绳(44,56)的台车(46,54)，连接到所述台车(46,54)的升降机(48)或提升爪(58)，其中所述提升系统(10)包括用于检测提升重量的第二反馈装置和用于检测所述升降机(48)或所述提升爪(58)中的所述管件(92,96)的存在的第三反馈装置；以及

控制器(202,204,205,206)被编程为按顺序自动执行：使用所述升降机(48)或提升爪(58)使所述管件(92,96)的上端保持住，使用所述第三反馈装置检测在所述升降机(48)或所述提升爪(58)中存在的所述管件(92,96)，使用所述下机械手(60)所述爪(74)保持住所述管件(92,96)的下端，使用所述第一反馈装置检测所述下机械手(60)的所述爪(74)中是否存在所述管件(92,96)，使用所述提升系统(10)提升所述管件(92,96)，使用所述第二反馈装置检测所述管件(92,96)的重量，使用所述下机械手(60)将所述管件(92,96)的下端定位在所述立根盒(90,100)上的预定位置，以及使用所述提升系统(10)降低所述立根盒(90,100)上的所述管件(92,96)；

其中，所述管件(92,96)的下端位于所述立根盒(90,100)上的预定位置，而不用所述下机械手(60)的铰接臂(64)来提升所述管件(92,96)的重量。

27.根据权利要求26所述的管件处理系统，其中所述下机械手(60)的所述滚动接头(114)包括扭矩反馈装置，所述控制器(202,204,205,206)还被编程为选择性地致动所述铰接臂(64)，以保持所述下机械手(60)的所述腕部(66)基本上水平并且选择性地最小化由所述下机械手(60)的所述滚动接头(114)施加至所述管件的下端(92,96)的扭矩。

28.根据权利要求26所述的管件处理系统，还包括：

上机械手(62)，其中所述上机械手(62)位于所述指板(104,106)的上方，所述上机械手(62)包括连接到铰接臂(64)的远端的腕部(66)，机械接口(70)通过滚动接头(114)连接到所述腕部(66)，以及从所述机械接口(70)突出的末端执行器(72)，以及其中所述末端执行器(72)包括爪(74)，所述爪包括第四反馈装置，用于检测所述爪(74)中的管件(92,96)的存在；以及

所述控制器(202,204,205,206)被进一步编程为按照顺序自动执行：

使用所述第二反馈装置检查到无重量，使用所述上机械手(62)的所述爪(74)保持住所述管件(92,96)的上端，使用所述第四反馈装置检测所述上机械手(62)的所述爪(74)中的所述管件(92,96)的存在，从升降机(48)或从所述提升爪(58)释放所述管件的上端(92，96)，以及使用所述上机械手(62)将所述管件(92,96)的上端定位在指板(104,106)中的预定位置处；

其中所述管件(92,96)的上端位于所述指板(104,106)中的预定位置，而不用所述上机械手(62)的铰接臂(64)提升所述管件(92,96)的重量。

29.根据权利要求28所述的管件处理系统，其中所述上机械手(62)的所述滚动接头(114)包括扭矩反馈装置，所述控制器(202,204,205,206)还被编程为致动所述铰接臂(64)以选择性地保持所述上机械手(62)的所述腕部(66)基本上水平并且选择性地最小化由所述上机械手(62)的所述滚动接头(114)施加到所述管件(92,96)的上端的扭矩。

30.根据权利要求28所述的管件处理系统：

所述下机械手(60)还包括用于检测所述下机械手(60)的所述爪(74)的打开和关闭位置的第五反馈装置，其中所述控制器(202,204,205,206)还被编程为基于由所述第五反馈装置产生的信号，致动所述下机械手(60)的所述爪(74)；

所述上机械手(62)还包括用于检测所述上机械手(62)的所述爪(74)的打开和关闭位置的第六反馈装置，其中所述控制器(202,204,205,206)还被编程为基于所述第六反馈装置产生的信号，致动所述上机械手(62)的所述爪(74)；以及

所述提升系统(10)还包括第七反馈装置，用于检测所述升降机(48)或所述提升爪(58)的打开和关闭位置，其中所述控制器(202,204,205,206)还被编程为基于所述第七反馈装置产生的信号，致动所述升降机(48)或所述提升爪(58)。

31.根据权利要求26所述的管件处理系统：

所述下机械手(60)的所述爪(74)包括固定的弧形指状物(76)，基本上与所述下机械手(60)的所述腕部(66)成直线，并固定到所述下机械手(60)的所述机械接口(70)上；以及可移动的弧形指状物(82)，铰接在所述固定的弧形指状物(76)的近端上，其中所述固定的弧形指状物(76)和所述可移动的弧形指状物(82)中的每一个在其凸起部分中都包括一层低摩擦材料。

32.根据权利要求28所述的管件处理系统：

所述上机械手(62)的所述爪(74)包括固定的弧形指状物(76)，基本上与所述机械手(62)的所述(66)成直线，并且固定至所述上机械手(62)的所述机械接口(70)上；以及可移动的弧形指状物(82)铰接在所述固定的弧形指状物(76)的近端上，其中所述固定的弧形指状物(76)和所述可移动的弧形指状物(82)中的每一个在其凸起部分中都包括一层低摩擦材料。

33.一种方法，包括：

在钻机上提供管件处理系统，钻机包括钻台，提升系统(10)，所述提升系统包括从所述钻台竖立的井架(14)，位于钻台上的立根盒(90,100)，以及指板(104,106)连接到所述立根盒(90,100)上方的所述井架(14)，所述管件处理系统包括：下机械手(60)，其中所述下机械手(60)位于所述钻台上方，所述下机械手(60)包括连接到所述铰接臂(64)的远端的腕部(66)，机械接口(70)经由滚动接头(114)连接到所述腕部(66)，以及从所述机械接口(70)突出的末端执行器(72)，并且其中所述末端执行器(72)包括爪(74)，所述爪(74)包括第一反馈装置，用于检测所述爪(74)中的管件(92,96)的存在，所述提升系统(10)包括连接到所述井架(14)的垂直导轨(20)，连接到所述垂直导轨(20)并连接到钻绳(44,56)的台车(46,54)，以及连接到所述台车(46,54)的升降机(48)或提升爪(58)，其中所述提升系统(10)包括用于检测提升重量的第二反馈装置和用于检测所述升降机(48)或所述提升爪(58)中的所述管件(92,96)的存在的第三反馈装置；

使用所述升降机(48)或所述提升爪(58)保持所述管件(92,96)的上端；

使用所述第三反馈装置检测在所述升降机(48)或所述提升爪(58)中所述管件(92,96)的存在；

使用所述下机械手(60)的所述爪(74)保持所述管件(92,96)的下端；

使用所述第一反馈装置检测所述下机械手(60)的所述爪(74)中是否存在所述管件(92,96)；

使用所述提升系统(10)提升所述管件(92,96)；

使用所述第二反馈装置检测所述管件(92,96)的重量；

使用所述下机械手(60)将所述管件(92,96)的下端定位在所述立根盒(90,100)上的预定位置；以及

使用所述提升系统(10)降低所述立根盒(90,100)上的所述管件(92,96)，

其中，所述管件(92,96)的下端位于所述立根盒(90,100)上的所述预定位置，而不用所述下机械手(60)的所述铰接臂(64)来提升所述管件(92,96)的重量。

34.根据权利要求33所述的方法，还包括：

选择性地致动所述铰接臂(64)，以保持所述下机械手(60)的所述腕部(66)基本上水平；以及

选择性地最小化由所述下机械手(60)的所述滚动接头(114)施加至所述管件(92,96)的下端的扭矩。

35.根据权利要求33所述的方法，还包括：

提供上机械手(62)，其中所述上机械手(62)位于所述指板(104,106)的上方，所述上机械手(62)包括连接到铰接臂(64)的远端的腕部(66)，机械接口(70)通过滚动接头(114)连接到所述腕部(66)，以及从所述机械接口(70)突出的末端执行器(72)，以及其中所述末端执行器(72)包括爪(74)，所述爪包括第四反馈装置，用于检测所述爪(74)中的管件(92,96)的存在；以及

使用所述第二反馈装置检查到无重量；

使用所述上机械手(62)的所述爪(74)保持所述管件(92,96)的上端；

使用所述第四反馈装置检测所述上机械手(62)的所述爪(74)中的所述管件(92,96)的存在；

从所述升降机(48)或从所述提升爪(58)释放所述管件(92，96)的上端；以及

使用所述上机械手(62)将所述管件(92,96)的上端定位在指板(104,106)中的预定位置处；

其中所述管件(92,96)的上端位于所述指板(104,106)中的预定位置，而不用所述上机械手(62)的铰接臂(64)提升所述管件(92,96)的重量。

36.根据权利要求35所述的方法，还包括：

致动所述铰接臂(64)以选择性地保持所述上机械手(62)的所述腕部(66)基本上水平；以及

选择性地最小化由所述上机械手(62)的所述滚动接头(114)施加到所述管件(92,96)的上端的扭矩。

37.一种用于钻机的管件处理系统，包括钻台，提升系统(10)，所述提升系统包括从所述钻台竖立的井架(14)，位于钻台上的立根盒(90,100)，以及指板(104,106)连接到所述立根盒(90,100)上方的所述井架(14)，所述管件处理系统包括：

上机械手(62)，其中所述上机械手(62)位于所述指板(104,106)的上方，所述上机械手(62)包括连接到铰接臂(64)的远端的腕部(66)，机械接口(70)通过滚动接头(114)连接到所述腕部(66)，以及从所述机械接口(70)突出的末端执行器(72)，以及其中所述末端执行器(72)包括爪(74)，所述爪包括第一反馈装置，用于检测所述爪(74)中的管件(92,96)的存在；以及

所述提升系统(10)包括连接到所述井架(14)的垂直导轨(20)，连接到所述垂直导轨(20)并连接到钻绳(44,56)的台车(46,54)，以及连接到所述台车(46,54)的升降机(48)或提升爪(58)，其中所述提升系统(10)包括用于检测提升重量的第二反馈装置和用于检测所述提升爪(74)中的所述管件(92,96)的存在的第三反馈装置；以及

控制器(202,204,205,206)被编程为按顺序自动执行：使用上机械手(62)的所述爪(74)保持住位于指板(104,106)中预定位置的所述管件(92,96)的上端；使用第一反馈装置检测所述上机械手(62)的所述爪(74)中的管件(92，96)的存在；使用上机械手(62)将所述管件(92,96)的上端定位在所述升降机(48)或所述提升爪(58)中；利用所述升降机(48)或所述提升爪(58)保持住所述管件(92,96)的上端；使用第三反馈装置检测所述升降机(48)或所述提升爪(58)中的所述管件(92,96)的存在；以及从所述上机械手(62)的所述爪(74)释放所述管件(92,96)的上端；

其中，所述管件(92,96)的所述上端定位于所述升降机(48)或所述提升爪(58)中，而不用所述上机械手(62)的所述铰接臂(64)来提升所述管件(92,96)的重量。

38.根据权利要求37所述的管件处理系统，其中所述上机械手(62)的所述滚动接头(114)包括扭矩反馈装置，所述控制器(202,204,205,206)还被编程为致动所述铰接臂(64)以选择性地保持所述上机械手(62)的所述腕部(66)基本上水平并且使由所述上机械手(62)的所述滚动接头(114)施加到所述管件(92,96)的上端的扭矩最小化。

39.根据权利要求37所述的管件处理系统，还包括：

下机械手(60)，其中所述下机械手(60)位于所述钻台的上方，所述下机械手(60)包括连接到铰接臂(64)的远端的腕部(66)，机械接口(70)经由滚动接头(114)连接到所述腕部(66)，以及从所述机械接口(70)突出的末端执行器(72)，并且其中所述末端执行器(72)包括爪(74)，所述爪(74)包括第四反馈装置，用于检测所述爪(74)中的所述管件(92,96)的存在；

所述控制器(202,204,205,206)被进一步编程为安装顺序自动执行：使用所述下机械手的所述爪(74)保持所述管件(92,96)的下端；使用第四反馈装置检测所述下机械手的所述爪(74)中的管件(92,96)的存在；使用所述第二反馈装置检测所述管件的重量(92，96)的重量；将所述管件(92,96)的下端定位在井中心(94)上方的预定位置，以及降低所述井中心(94,96)上的所述管件(92,96)，

其中，所述管件(92,96)的下端位于所述井中心(94)的上方，而不用所述下机械手(60)的铰接臂(64)提升所述管件(92,96)的重量。

40.根据权利要求39所述的管件处理系统，其中所述下机械手(60)的所述滚动接头(114)包括扭矩反馈装置，所述控制器(202,204,205,206)还被编程为致动所述铰接臂(64)以选择性地保持所述下机械手(60)的所述腕部(66)基本水平，以及使所述下机械手(60)的所述滚动接头(114)施加到所述管件(92,96)的下端的扭矩最小化。

41.根据权利要求39所述的管件处理系统：

所述上机械手(62)还包括第五反馈装置，用于检测所述上机械手(62)的所述爪(74)的打开和关闭位置，其中所述控制器(202,204,205,206)还被编程为基于由所述第五反馈装置产生的信号，致动所述上机械手(62)的所述爪(74)；

所述下机械手(60)还包括用于检测所述下机械手(60)的所述爪(74)的打开和关闭位置的第六反馈装置，其中所述控制器(202,204,205,206)还被编程为基于所述第六反馈装置产生的信号，致动所述下机械手(60)的所述爪(74)；以及

所述提升系统(10)还包括第七反馈装置，用于检测所述升降机(48)或所述提升爪(58)的打开和关闭位置，其中所述控制器(202,204,205,206)还被编程为基于所述第七反馈装置产生的信号，致动所述升降机(48)或所述提升爪(58)。

42.根据权利要求37所述的管件处理系统：

所述上机械手(62)的所述爪(74)包括固定的弧形指状物(76)，其基本上与所述上机械手(62)的所述腕部(66)成直线，并固定到所述机械接口(70)，以及可移动的弧形指状物(82)铰接在所述固定的弧形指状物(76)的近端上，其中所述固定的弧形指状物(76)和所述可移动的弧形指状物(82)中的每一个在其凸起部分中都包括一层低摩擦材料。

43.如权利要求39所述的管件处理系统：

所述下机械手(60)的所述爪(74)包括固定的弧形指状物(76)，其基本上与所述下机械手(60)的所述腕部(66)成直线，并被固定到所述机械接口(70)，以及可移动的弧形指状物(82)铰接在所述固定的弧形指状物(76)的近端上，其中所述固定的弧形指状物(76)和所述可移动的弧形指状物(82)中的每一个在其凸起部分中都包括一层低摩擦材料。

44.一种方法，包括：

在钻机上提供管件处理系统，所述钻机包括钻台，提升系统，所述提升系统(10)包括从所述钻台竖立的井架(14)，位于所述钻台上的立根盒(90,100)，以及连接到所述立根盒(90,100)上方的所述井架(14)的指板(104,106)，所述管件处理系统包括上机械手(62)，其中所述上机械手(62)位于所述指板(104,106)上方，所述上机械手(62)，包括连接到所述铰接臂(64)的远端的腕部(66)，通过滚动关节(114)连接到所述腕部(66)的机械接口(70)，以及从所述机械接口(70)突出的末端执行器(72)，以及其中所述末端执行器(72)包括爪(74)，所述爪包括第一反馈装置，用于检测所述爪(74)中的管件(92,96)的存在；所述提升系统(10)包括连接到所述井架(14)的垂直导轨(20)，连接到所述垂直导轨(20)并连接到钻绳(44,56)的台车(46,54)，以及连接到所述台车(46,54)的升降机(48)或提升爪(58)，其中所述提升系统(10)包括用于检测提升重量的第二反馈装置和用于检测所述爪(74)中的所述管件(92,96)的存在的第三反馈装置；

使用所述上机械手(62)的所述爪(74)保持位于所述指板(104,106)中预定位置的所述管件(92,96)的上端；

使用所述第一反馈装置检测所述上机械手(62)的所述爪(74)中的所述管件(92，96)的存在；

使用所述上机械手(62)将所述管件(92,96)的所述上端定位在所述升降机(48)或所述提升爪(58)中；

利用所述升降机(48)或所述提升爪(58)保持所述管件(92,96)的上端；

使用所述第三反馈装置检测所述升降机(48)或所述提升爪(58)中的所述管件(92,96)的存在；以及

从所述上机械手(62)的所述爪(74)释放所述管件(92,96)的上端；

其中，所述管件(92,96)的所述上端定位于所述升降机(48)或所述提升爪(58)中，而不用所述上机械手(62)的所述铰接臂(64)来提升所述管件(92,96)的重量。

45.根据权利要求44所述的方法，还包括：

致动所述铰接臂(64)以选择性地保持所述上机械手(62)的所述腕部(66)基本上水平；以及

使由所述上机械手(62)的所述滚动接头(114)施加到所述管件(92,96)的上端的扭矩最小化。

46.根据权利要求44所述的方法，还包括：

提供下机械手(60)，其中所述下机械手(60)位于所述钻台的上方，所述下机械手(60)包括连接到铰接臂(64)的远端的腕部(66)，机械接口(70)经由滚动接头(114)连接到所述腕部(66)，以及从所述机械接口(70)突出的末端执行器(72)，并且其中所述末端执行器(72)包括爪(74)，所述爪(74)包括第四反馈装置，用于检测所述爪(74)中的所述管件(92,96)的存在；

使用所述下机械手的所述爪(74)保持所述管件(92,96)的下端；

使用所述第四反馈装置检测所述下机械手的所述爪(74)中的管件(92,96)的存在；

使用所述提升系统(10)提升所述管件(92,96)；

使用所述第二反馈装置检测所述管件的重量(92，96)的重量；

将所述管件(92,96)的下端定位在井中心(94)上方的预定位置，以及

降低所述井中心(94)上的所述管件(92,96)，

其中，所述管件(92,96)的下端位于所述井中心(94)的上方，而不用所述下机械手(60)的铰接臂(64)提升所述管件(92,96)的重量。

47.根据权利要求46所述的方法，还包括：

致动所述铰接臂(64)以选择性地保持所述下机械手(60)的所述腕部(66)基本水平；以及

使所述下机械手(60)的所述滚动接头(114)施加到所述管件(92,96)的下端的扭矩最小化。

48.一种用于在钻机上处理管件的机械手，所述机械手包括：

铰接臂(64)，具有通过偏转关节装置(68)连接到所述铰接臂(64)的远端的腕部(66)，通过滚动接头(114)连接到所述腕部(66)的机械接口(70)，以及从所述机械接口(70)突出的末端执行器(72)，其中所述末端执行器(72)包括：

固定的弧形指状物(76)，基本上与所述腕部(66)成直线设置并固定至所述机械接口(70)；

支架(84)，设置成基本垂直于所述腕部(66)并固定到所述固定的弧形指状物(76)的近端；

可移动的弧形指状物(82)铰接在所述固定的弧形指状物(76)的近端上；以及

致动器，基本上沿所述支架(84)设置，所述致动器具有连接到所述支架(84)的第一端和连接到所述可移动的弧形指状物(82)的第二端。

49.根据权利要求48所述的机械手，其中，所述偏转关节装置(68)包括俯仰关节和与其连接的滚动关节。

50.根据权利要求48所述的机械手，其中所述固定的弧形指状物(76)包括第一板(78)和从所述第一板(78)偏移的第二板(80)，并且其中所述可移动的弧形指状物(82)位于所述第一板(78)和所述第二板(80)之间。

51.根据权利要求48所述的机械手，其中所述固定的弧形指状物(76)和所述可移动的弧形指状物(82)中的每一个在其凸起部分中都包括一层低摩擦材料。

52.一种用于在钻机上处理管件(92,96)的方法，所述钻机包括钻台，提升系统(10)，所述提升系统包括从所述钻台竖立的井架(14)，以及位于所述钻台上的在所述井架的相对侧上的两个立根盒(90,100)，所述方法包括：

提供一种机械手(60)，包括：铰接臂(64)，具有通过偏转关节装置(68)连接到所述铰接臂(64)的远端的腕部(66)，通过滚动接头(114)连接到所述腕部(66)的机械接口(70)，以及从所述机械接口(70)突出的末端执行器(72)；

使用所述末端执行器(72)保持住从所述提升系统(10)悬挂在井中心(94)上方的第一管件(92)；

使用所述偏转关节装置(68)使所述腕部(66)朝向两个立根盒(90,100)中的第一个立根盒(90)；

使用所述铰接臂(64)使所述第一管件(92)的下端朝向在所述第一立根盒(90)上的第一预定位置；

使用滚动接头(114)使所述末端执行器(72)旋转大约半圈；

使用所述末端执行器(72)保持住从所述提升系统(10)悬挂在所述井中心(94)上方的第二管件(96)；

使用偏转关节装置(68)使所述腕部(66)朝向两个立根盒(90,100)中的第二个立根盒(100)；以及

使用所述铰接臂(64)将所述第二管件(96)的下端定位在所述第二立根盒(100)上的第二预定位置。

53.根据权利要求52所述的方法，其中，在保持所述铰接臂(64)大致处于中立方向(88)的同时，保持悬挂在所述井中心(94)上方的所述第一管件(92)，以及在保持所述铰接臂(64)的方向在距离所述中立方向(88)约小于八分之一圈内的同时，将所述第一管件(92)的下端定位在所述第一预定位置。

54.如权利要求53所述的方法，其特征在于，在保持铰接臂(64)大致处于中立方向(88)的同时，保持悬挂在所述井中心(94)上方的所述第二管件(96)，以及在保持所述铰接臂(64)的方向在距离所述中立方向(88)约小于八分之一圈内的同时，将所述第二管件(96)的下端定位在所述第二预定位置。

55.一种用于在钻机上处理管件(92,96)的方法，所述钻机包括钻台，提升系统(10)，所述提升系统包括从所述钻台竖立的井架(14)，以及位于所述钻台上的在所述井架(14)的相对侧上的两个立根盒(90,100)，以及两个指板(104,106)，所述两个指板(104,106)中的每一个在所述两个立根盒(90,100)中相应的一个上方连接到所述井架(14)，所述方法包括：

提供一种机械手(60)，包括：铰接臂(64)，具有通过偏转关节装置(68)连接到所述铰接臂(64)的远端的腕部(66)，通过滚动接头(114)连接到所述腕部(66)的机械接口(70)，以及从所述机械接口(70)突出的末端执行器(72)；

使用所述末端执行器(72)保持住从所述提升系统(10)降低在所述两个立根盒(90,100)的第一个立根盒上的第一管件(92)；

使用所述偏转关节装置(68)使所述腕部(66)朝向所述两个指板(104,106)中的第一个指板(104)；

使用所述铰接臂(64)使所述第一管件(92)的上端定位在所述第一指板(104)上的第一预定位置；

使用所述滚动接头(114)使所述末端执行器(72)旋转大约半圈；

使用所述末端执行器(72)将从所述提升系统(10)降低的第二管件(96)保持在所述两个立根盒(90,100)的第二个立根盒上；

使用偏转关节装置(68)使所述腕部(66)朝向所述两个指板(104,106)中的第二个指板(106)；以及

使用所述铰接臂(64)将所述第二管件(96)的上端定位在所述第二指板(106)上的第二预定位置。

56.根据权利要求55所述的方法，其中，在保持所述铰接臂(64)大致处于中立方向(88)的同时，保持住在所述第一立根盒(90)上下降的所述第一管件(92)，并且在保持所述铰接臂(64)的方向在距离所述中立方向(88)约小于八分之一圈内的同时，将第一管件(92)的上端定位在所述第一预定位置处。

57.根据权利要求56所述的方法，其中，在保持所述铰接臂(64)大致处于中立方向(88)的同时，保持住在所述第二立根盒(90)上下降的所述第二管件(96)，并且在保持所述铰接臂(64)的方向在距离所述中立方向(88)约小于八分之一圈内的同时，将第二管件(96)的上端定位在所述第二预定位置处。

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