CN111550199A - 一种起下钻钻机、起下钻方法及连续起下钻方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油钻采设备，具体涉及一种起下钻钻机、起下钻方法及连续起下钻方法。该起下钻钻机包括第一驱动装置、联动装置、上起升装置和下起升装置；上起升装置包括顶驱；下起升装置包括用于卡接钻柱的动力卡瓦，上起升装置和下起升装置能够在起下钻钻机的高度方向上相互靠近或远离；第一驱动装置与上起升装置或下起升装置相连，上起升装置与下起升装置通过联动装置相连，使得可以实现在上起升装置移动时，下起升装置随上起升装置一起移动。本发明提供的起下钻钻机、起下钻方法和连续起下钻方法，设置了上起升装置和下起升装置，上起升装置和下起升装置能够配合工作，从而缩短在一次起下钻的过程中单个起升装置的行程，有利于提高效率。

Description

一种起下钻钻机、起下钻方法及连续起下钻方法

技术领域

本发明涉及一种石油钻采设备，特别是一种起下钻钻机、起下钻方法及连续起下钻方法。

背景技术

在常规的石油、天然气开采过程中，钻机的起下钻过程是一个费时效率低下的工作过程。起钻时通过绞车牵引下方的顶驱将钻柱拉出钻井，当拉出一根立柱时，利用钻台面的卡瓦将立柱停靠在转盘上，通过铁钻工等卸开立柱与钻柱之间的接头，再通过一些辅助机械将立柱停放在二层台的指梁内。然后再下放顶驱至钻柱位置，当顶驱再次提起钻柱时，打开卡瓦，方能将钻柱提起，提至一根立柱长度后下卡瓦，卸接头，排放至二层台，不断重复此操作完成钻柱的起升过程。下钻过程与上述流程相反。

上述起升过程，依赖于单一起升工具的工作方式，导致整个工作过程效率低下，起升过程从井架最高位至最低位置不断重复停止、加速、减速一系列变速运动，增加了钻机的能耗，同时容易导致井内钻井液的波动，导致不必要的钻井事故的发生。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的依赖于单一起升工具的工作方式存在的问题，提供一种起下钻钻机、起下钻方法及连续起下钻方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一方面，本发明提供了一种起下钻钻机，包括第一驱动装置、联动装置、上起升装置和下起升装置；上起升装置包括顶驱；下起升装置包括用于卡接钻柱的动力卡瓦，上起升装置和下起升装置能够在起下钻钻机的高度方向上相互靠近或远离；第一驱动装置与上起升装置或下起升装置相连，上起升装置与下起升装置通过联动装置相连，使得可以实现在上起升装置移动时，下起升装置随上起升装置一起移动。本发明提供的起下钻钻机，设置了上起升装置和下起升装置，上起升装置和下起升装置均能够与钻柱相连，且二者能够通过联动装置实现配合，从而可以缩短在一次起下钻周期中单个起升装置的行程，使得依次起下钻过程中，钻柱的整个行程能够由上起升装置和下起升装置配合分别完成，从而有利于提高效率。

本发明中，上起升装置和下起升装置通过联动装置实现的配合，既包括在整个起下钻周期内，上起升装置与下起升装置都一起运动的情况；也包括在一个起下钻周期的部分时间段内上起升装置运动、下起升装置静止，或下起升装置运动、上起升装置静止的情况。

作为本发明的优选方案，第一驱动装置与上起升装置相连，第一驱动装置包括齿轮齿条驱动机构。

作为本发明的优选方案，联动装置包括绳系和滑轮组，滑轮组包括通过绳系相连的定滑轮、第一动滑轮和第二动滑轮，定滑轮固定连接于井架上，第一动滑轮与上起升装置相连，第二动滑轮与下起升装置相连；绳系长度不变时，第一动滑轮的移动将带动第二动滑轮移动，使第一动滑轮与第二动滑轮相互靠近或远离。现有技术中，滑轮系中的多个动滑轮往往保持相同大小、相同方向的速度移动，本申请中的上述方案中，使绳系的总长度不变，突破性地使第一动滑轮和第二动滑轮保持相同大小、相反方向的移动，从而实现上起升装置和下起升装置的联动，且在这个过程中，上起升装置和下起升装置互为配重，即：上起升装置在下降时，需要克服下起升装置的重力、拉动下起升装置上升；下起升装置在下降时，需要克服上起升装置的重力、拉动上起升装置上升，从而使得系统更加节能。

本发明中，“绳系的长度”是指绳系缠绕在滑轮组上的一部分的长度。

作为本发明的优选方案，在一个滑轮组中，定滑轮的数量为两个，分别为第一定滑轮和第二定滑轮，绳系依次与第二定滑轮、第二动滑轮、所述第一定滑轮和第一动滑轮相连；第一动滑轮设于第一定滑轮与第二定滑轮之间，且位于第一定滑轮和第二定滑轮的下方；第二动滑轮位于第一动滑轮的正下方。

作为本发明的优选方案，滑轮组的数量包括至少两套，分别为滑轮组一和滑轮组二，滑轮组一与滑轮组二之间设有平衡轮，平衡轮包括定滑轮，绳系依次连接于滑轮组一、平衡轮上和滑轮组二上。通过设置平衡轮，使得滑轮组一和滑轮组二上的绳系拉力始终保持相等，使结构受力分布更加合理。

作为本发明的优选方案，起下钻钻机还包括绳系固定装置、钻台卡瓦和钻台铁钻工，绳系的端部与所述绳系固定装置相连，钻台卡瓦和钻台铁钻工设置于钻台面上；钻台铁钻工与钻台面通过第一伸缩机构相连，使得钻台铁钻工可位于井眼中心正上方或让出井眼中心。通过设置绳系固定装置，使得在工作工程中，缠绕在滑轮系上的绳系的长度可以保持不变，从而使上起升装置和下起升装置始终保持大小相等、方向相反的运动速度。钻台卡瓦用于在起下钻的过程中夹持钻柱，便于钻台铁钻工进行上卸扣操作。通过设置与第一伸缩机构的钻台铁钻工，能够在不需要钻台铁钻工工作时移开钻台铁钻工，从而便于下起升装置与钻柱的连接。

作为本发明的优选方案，起下钻钻机还包括第二驱动装置，绳系的端部与第二驱动装置相连，第二驱动装置用于缩短或延长绳系的长度，或使绳系的长度保持不变；下起升装置包括第二伸缩机构和随动铁钻工，第二伸缩机构用于带动随动铁钻工位于井眼中心正上方或让出井眼中心。通过设置第二驱动装置，可以单独通过第二驱动装置驱动下起升装置移动，从而改变上起升装置和下起升装置之间的联动关系，使上起升装置与下起升装置之间的相对运动速度具有更多的组合方式，实现更多不同的起下钻工作流程。例如，第二驱动装置使绳系长度保持不变时，上起升装置和下起升装置之间保持大小相等、方向相反的移动速度；第二驱动装置使绳系缩短或延长时，下起升装置可以依然随上起升装置的移动而移动，但速度不再保持大小相等或方向相反；第二驱动装置使绳系缩短或延长的速度与上起升装置的运动速度呈一定的比例关系时，也可以实现在上起升装置移动时、下起升装置不移动的情况。

作为本发明的优选方案，起下钻钻机还包括钻台卡瓦和钻台铁钻工，所述钻台卡瓦和所述钻台铁钻工设置于钻台面上；所述钻台铁钻工与钻台面通过第一伸缩机构相连，所述第一伸缩机构用于带动所述钻台铁钻工位于井眼中心正上方或让出井眼中心。通过上述结构，通过钻台铁钻工和随动铁钻工的交替配合工作，有助于该起下钻钻机实现多种不同的工作模式。作为本发明的优选方案，第二驱动装置包括绞车，绞车用于缩短和延长绳系的长度，或使绳系长度保持不变。

作为本发明的优选方案，起下钻钻机还包括第二驱动装置、钻台卡瓦和钻台铁钻工，所述绳系的端部与所述第二驱动装置相连，所述第二驱动装置用于缩短或延长所述绳系的长度，或使所述绳系的长度保持不变；所述钻台卡瓦和所述钻台铁钻工设置于钻台面上；所述钻台铁钻工与钻台面通过第一伸缩机构相连，所述第一伸缩机构用于带动所述钻台铁钻工位于井眼中心正上方或让出井眼中心。通过上述的方案，上起升装置通过第一驱动装置驱动，下起升装置通过第二驱动装置驱动，在起下钻的过程中，通过钻台卡瓦和钻台铁钻工实现上卸扣，上卸扣的过程中，需要停车等待。可知，该方案可以用于实现需要停车等待上卸扣的起下钻作业。

作为本发明的优选方案，第二驱动装置包括绞车，绞车用于缩短和延长绳系的长度，或使绳系长度保持不变。

作为本发明的优选方案，下起升装置还包括转盘及转盘梁，下起升装置连接于转盘及转盘梁上，联动装置与转盘及转盘梁相连。

作为本发明的优选方案，起下钻钻机还包括机械手，机械手用于带动钻柱移入或移出起下钻钻机。通过设置机械手，能够将待下的钻柱移动到该起下钻钻机中、或将提升的钻柱移出。

另一方面，本发明还提供了一种起钻方法，包括以下步骤：

使待起钻钻柱头高于钻台面，下起升装置卡住所述待起钻钻柱；

上起升装置下移，下起升装置上移并提升所述待起钻钻柱，直至所述上起升装置和所述下起升装置相遇；

所述上起升装置接住所述待起钻钻柱，所述下起升装置松开所述待起钻钻柱，所述上起升装置上移继续提升所述待起钻钻柱及井眼中的其他钻柱，所述下起升装置下移靠近井眼中心；

上起升装置停车，使下一钻柱头高于钻台面，钻台卡瓦卡住所述下一钻柱，钻台铁钻工进行卸扣作业，随卸扣作业的进行，上起升装置上升，使待提起的钻柱与井眼中的其他钻柱分离；

卸扣后，钻台铁钻工让出井眼中心，上起升装置继续向上提升钻柱，下起升装置继续下滑并卡持井眼中的钻柱，然后钻台卡瓦打开。

另一方面，本发明还提供了一种下钻方法，包括以下步骤：

上起升装置提起待下钻钻柱；

钻台卡瓦卡住钻柱，钻台铁钻工进行上扣作业，将待下钻钻柱与井眼中的其余钻柱连接到一起；

上扣后，所述钻台铁钻工移动让出井眼中心；

所述上起升装置下移，所述下起升装置上移，所述上起升装置与所述下起升装置相互靠近，所述上起升装置下放所述待下钻钻柱，直至所述上起升装置和所述下起升装置相遇；

所述下起升装置卡住所述待下钻钻柱，所述上起升装置与所述钻柱分离；

所述上起升装置上升，所述下起升装置带动所述待下钻钻柱继续下移，继续下放所述待下钻钻柱。

本发明提供的上述起下钻方法，能够通过联动装置实现上起升装置和下起升装置的联动，在缩短单个起升装置的行程的同时，两个起升装置互为配重，从而有利于节约能源，提高效率。

另一方面，本发明还提供了一种连续起钻方法，包括以下步骤：

下起升装置卡住待起钻钻柱；

上起升装置下滑，所述下起升装置上升；

所述上起升装置减速下滑、停车并开始上升，直至所述下起升装置和所述上起升装置保持相同速度上升；

所述下起升装置与所述待起钻钻柱分离，所述下起升装置下滑所述上起升装置连接待起钻钻柱并继续上升；

所述上起升装置继续上升，所述下起升装置继续下滑，在所述下起升装置靠近最低位时，所述下起升装置减速下滑直至停车；

待井眼中的下一钻柱头高于所述下起升装置时，所述下起升装置与所述上起升装置保持相同的上升速度，所述下起升装置与所述下一钻柱头卡接，同时进行卸扣；

完成卸扣后，所述下起升装置的上升速度降低，基于所述上起升装置与所述下起升装置之间的速度差，两个所述钻柱之间的距离增大，然后所述下起升装置与所述上起升装置保持相同速度起升；

移出已被所述上起升装置提起的所述待起钻柱。

另一方面，本发明还提供了一种连续下钻方法，包括以下步骤：

移入待下钻钻柱，上起升装置提起所述待下钻钻柱，下起升装置卡住前一已下钻柱并下降；

所述上起升装置下降，然后所述下起升装置的下降速度放缓，基于所述上起升装置与所述下起升装置之间的速度差，两个所述钻柱之间的距离缩小，直至所述待下钻钻柱与所述前一已下钻柱靠近，然后所述上起升装置与所述下起升装置保持同样的速度下降，进行上扣作业；

完成上扣后，所述下起升装置与所述前一已下钻柱分离；

所述上起升装置继续下降，所述下起升装置开始上升；

所述上起升装置与所述下起升装置靠近至适宜距离时，所述下起升装置开始反向，并保持与所述上起升装置相同的速度下降；

所述下起升装置卡住所述待下钻钻柱，所述上起升装置与所述待下钻钻柱分离；

所述下起升装置继续下降，所述上起升装置开始上升。

本发明提供的连续起下钻方法，利用第二驱动装置，既能够缩短单个起升装置的行程，还能够通过上起升装置和下起升装置的速度的配合，实现连续的起下钻，无需暂停等待，进一步提高了效率，另外，在起下钻过程中，上起升装置和下起升装置互为配重，有利于节约能源。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明提供的起下钻钻机，设置了上起升装置和下起升装置，上起升装置和下起升装置能够通过联动装置实现配合，从而缩短了在一次起下钻的过程中单个起升装置的行程，从而有利于提高效率；

2.本发明提供的一种起下钻方法，能够通过联动装置实现上起升装置和下起升装置的联动，在缩短单个起升装置的行程的同时，两个起升装置互为配重，从而有利于节约能源，提高效率；

3.本发明提供的连续起下钻方法，通过利用第二驱动装置，既能够缩短单个起升装置的行程，还能够通过上起升装置和下起升装置的速度的配合，实现连续的起下钻，无需暂停等待，进一步提高了效率，另外，在起下钻过程中，上起升装置和下起升装置互为配重，有利于节约能源。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的起下钻钻机的主视图。

图2是图1中A部的局部放大图。

图3是本发明具体实施方式提供的起下钻钻机的侧视图。

图4是图3中B部的局部放大图。

图5是本发明具体实施方式提供的起下钻钻机的绳系的绕绳方式示意图。

图6是本发明实施例1提供的起钻方法的步骤一的示意图。

图7是本发明实施例1提供的起钻方法的步骤二的示意图。

图8是本发明实施例1提供的起钻方法的步骤三和步骤四的示意图。

图9是本发明实施例1提供的起钻方法的步骤五的示意图。

图10是本发明实施例2提供的连续起钻方法的步骤一及步骤二的示意图。

图11是本发明实施例2提供的连续起钻方法的步骤三及步骤四的示意图。

图12是本发明实施例2提供的连续起钻方法的步骤四-步骤六的示意图。

图13是本发明实施例2提供的连续起钻方法的步骤六及步骤七的示意图。

图14是本发明实施例2提供的连续起钻方法的步骤八的示意图。

图标：1-绞车；2-联动装置；21-绳系；22-滑轮系；22a-滑轮组一；22b-滑轮组二；22c-平衡轮；221-第一定滑轮；222-第一动滑轮；223-第二动滑轮；224-第二定滑轮；3-齿轮齿条驱动机构；4-顶驱；5-下起升装置；51-转盘及转盘梁；52-动力卡瓦；6-机械手；7-钻台卡瓦；8-随动铁钻工；81-钻台铁钻工；9-钻柱。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1-图5，本发明实施例提供了一种起下钻钻机，这种起下钻钻机包括第一驱动装置、联动装置2、上起升装置、下起升装置5、绳系固定装置、钻台卡瓦7、钻台铁钻工81和机械手6。

第一驱动装置与上起升装置相连。上起升装置包括顶驱4，第一驱动装置包括齿轮齿条驱动机构3，齿轮齿条机构能够带动顶驱4在钻机的上下方向上移动。

联动装置2包括滑轮系22及绳系21，绳系21的两端均与绳系固定装置相连，使得滑轮系22上缠绕的绳索的总长度保持不变。滑轮系22包括两套滑轮组，分别为滑轮组一22a和滑轮组二22b，在滑轮组一22a和滑轮组二22b之间设有平衡轮22c，平衡轮22c为定滑轮。绳系21中的绳索依次在滑轮组一22a、平衡轮22c和滑轮组二22b上缠绕，通过这种结构，使得滑轮组一22a和滑轮组二22b上的绳系21的张力保持恒等。在本实施中，绳系固定装置被设置为始终保持刹车状态的绞车1。

滑轮组一22a和滑轮组二22b的结构和绕线方式均相同。具体的，以滑轮组一22a为例，滑轮组一22a包括第一定滑轮221、第二定滑轮224、第一动滑轮222和第二动滑轮223，第一定滑轮221和第二定滑轮224在同一水平高度上布置，第一动滑轮222设置于第一定滑轮221和第二定滑轮224之间且低于第一定滑轮221和第二定滑轮224，第二动滑轮223布置于第一动滑轮222在竖直方向上的正下方。绳索依次缠绕在第二定滑轮224、第二动滑轮223、第一定滑轮221和第一动滑轮222上，然后与平衡轮22c相连。

进一步的，在平衡轮22c的一侧设置至少两组滑轮组一22a，另一侧设置至少两组滑轮组二22b。绳系21依次缠绕在各组滑轮组一22a上，然后经过平衡轮22c，再依次缠绕在各组滑轮组二22b上。

各个第一动滑轮222的转轴始终共线。各个第二动滑轮223的转轴始终共线。

第一动滑轮222与上起升装置相连，使得上起升装置可以与第一动滑轮222一起在竖直方向上平移，且第一动滑轮222绕自身轴线的转动不会对上起升装置的方位产生影响。本领域技术人员据此可知，可以使第一动滑轮222与上起升装置通过轴承相连。同理，第二动滑轮223与下起升装置5相连，使得下起升装置5可以与第二动滑轮223一起在竖直方向上平移。

顶驱4、齿轮齿条驱动机构3与第一动滑轮222相连，使得三者可以在竖直方向上同步滑动，并通过滑轮系22和绳系21带动第二动滑轮223在竖直方向上做相应的运动。顶驱4上设有用于与钻柱9端部相连的挂钩。

下起升装置5包括转盘及转盘梁51和动力卡瓦52，转盘及转盘梁51与第二动滑轮223相连，具体的，转盘及转盘梁51一端与滑轮组一22a中的第二动滑轮223相连，另一端与滑轮组二22b中的第二动滑轮223相连。动力卡瓦52设置于转盘及转盘梁51上。钻柱9可以穿过动力卡瓦52。通过动力卡瓦52可以夹持或松开钻柱9。

钻台卡瓦7设置于钻台上，并用于与井眼中心对齐。钻台卡瓦7能够夹持或松开钻柱9。

钻台铁钻工81通过第一伸缩机构连接于钻台面上，使得钻台铁钻工81可以位于井眼中心上方，从而对钻柱9进行上卸扣操作；也可以让出井眼中心，从而为下起升装置5让出移动空间。

机械手6连接于井架上，机械手6用于夹持钻柱9，并用于带动钻柱9产生水平面内的移动，从而使钻柱9被移出起下钻钻机或将新的钻柱9移入到起下钻钻机中。

本发明实施例提供的起下钻钻机可以实现以下的起下钻方法，起钻时，包括以下步骤：

步骤一、使待起钻钻柱9的端部高于钻台面，下起升装置5卡住所述待起钻钻柱9；

请参阅图6，具体的，在步骤一中，上起升装置位于行程的顶部，下起升装置5位于行程底部，钻台卡瓦7打开，下起升装置5上的动力卡瓦52卡住钻柱9；

步骤二、上起升装置下移，下起升装置5上移相并提升所述待起钻钻柱9，直至所述上起升装置和所述下起升装置5相遇；

请参阅图7，具体的，在步骤二中，第一驱动装置带动顶驱4和第一动滑轮222向下滑动，由于绳系21的总长度不变，第二动滑轮223将随第一动滑轮222的运动产生大小相等、方向相反的移动，从而使得第一动滑轮222和第二动滑轮223相互靠近，即：使上起升装置和下起升装置5相互靠近，下起升装置5提升所述待起钻钻柱9。由于此时待起钻钻柱9依然与井眼中的其他钻柱9相连，因此，井眼中的所有钻柱9一起上升。

在上起升装置和下起升装置5即将相遇时，上起升装置和下起升装置5开始减速，使得在上起升装置和下起升装置5相遇时，二者的速度能够减为0，此时待起钻钻柱9的上端位于上起升装置和下起升装置5的相遇处。

步骤三、所述上起升装置接住所述钻柱9，所述下起升装置5松开所述待起钻钻柱9，所述上起升装置上移继续提升所述待起钻钻柱9及井眼中的其他钻柱9，所述下起升装置5下移靠近井眼中心；

请参阅图8，具体的，在步骤三中，待起钻钻柱9与上起升装置相连，第一驱动装置驱动上起升装置向上移动，则使得上起升装置带动钻柱9继续向上移动。

步骤四、上起升装置停车，使下一钻柱9头高于钻台面，钻台卡瓦7卡住下一钻柱9，钻台铁钻工81进行卸扣作业，随卸扣作业的进行，上起升装置上升，使待起钻钻柱9与井眼中的其他钻柱9脱离；

请参阅图8，具体的，在步骤四中，第一伸缩机构带动钻台铁钻工81伸出到井眼中心的上方，从而便于进行卸扣作业。

步骤五、卸扣后，钻台铁钻工81移动让出井眼中心，上起升装置继续向上提升钻柱9，下起升装置5继续下滑并卡持井眼中的钻柱9，然后钻台卡瓦7打开。

请参阅图9，具体的，在步骤五中，第一伸缩机构带动钻台铁钻工81移动，使钻台铁钻工81让出井眼中心。

在步骤五结束之后，机械手6将已被上起升装置提起的钻柱9移出井架，再重复上述步骤一至步骤五，从而实现循环起钻。

由上述步骤可知，本实施例提供的上述起钻方法，上起升装置和下起升装置5的行程相对于现有技术中的行程极大缩短，从而有利于提高起钻效率。同时，在上述起钻过程中，由于联动装置2的绳系21总长度一直保持不变，上起升装置和下起升装置5始终保持大小相等、方向相反的运动速度，且上起升装置和下起升装置5互为配重，能源利用率和工作效率都得到大大提高。

下钻方法与上述的起钻方法步骤相反，具体的，下钻方法包括以下步骤：

步骤一、上起升装置提起待下钻钻柱9；

具体的，步骤一进行时，钻台卡瓦7卡住前一下放钻柱9的端部；下起升装置5上的动力卡瓦52处于打开状态；

步骤二、钻台卡瓦7卡住待下钻钻柱9，钻台铁钻工81进行上扣作业，将待下钻钻柱9与井眼中的其余钻柱9连接到一起；

具体的，在步骤二中，通过上扣作业将待下放的钻柱9与前一下放的钻柱9连接到一起，第一伸缩机构带动钻台铁钻工81移动到井眼中心的上方，从而便于进行上扣作业；

步骤三、上扣后，钻台铁钻工81移动让出井眼中心；

具体的，在步骤三中，第一伸缩机构带动钻台铁钻工81移动，从而让出井眼中心；

步骤四、上起升装置下移，下起升装置5上移，上起升装置与下起升装置5相互靠近，上起升装置下放待下钻钻柱9，直至上起升装置和下起升装置5相遇；

具体的，在步骤四中，第一驱动装置带动上起升装置下移，在联动装置2的带动下，下起升装置5上移，从而使上起升装置与下起升装置5相互靠近；

在上起升装置和下起升装置5即将相遇时，上起升装置和下起升装置5开始减速，使得在上起升装置和下起升装置5相遇时，二者的速度能够减为0，此时待下放钻柱9的上端位于上起升装置和下起升装置5的相遇处。

步骤五、所述下起升装置5卡住所述钻柱9，所述上起升装置与所述钻柱9分离；

具体的，在步骤五中，下起升装置5上的动力卡瓦52卡住该待下放的钻柱9。

步骤六、上起升装置上升，下起升装置5带动待下钻钻柱9继续下移，继续下放所述钻柱9。

具体的，在步骤六中，第一驱动装置带动上起升装置上移，准备接受下一个钻柱9，在联动装置2的作用下，下起升装置5下移，从而继续下放钻柱9。

在步骤六结束后，钻台卡瓦7卡住该下放的钻柱9，下起升装置5上的动力卡瓦52松开该钻柱9，机械手6移入另一个待下放的钻柱9，重复上述步骤一至步骤六，可以实现连续下钻。

在其他的实施方式中，本实施例的方案还可以这样修改：使第一驱动装置连接在下起升装置5上，其余结构特征不变。使用时，第一驱动装置驱动下起升装置5起升或下降，此时，上起升装置将随下起升装置5的运动而产生大小相等、方向相反的运动。通过这种结构也可以用于实现上述的起钻方法和下钻方法。

实施例2

请参阅图1-图5，本发明实施例提供了一种起下钻钻机，其包括第一驱动装置、第二驱动装置、联动装置2、上起升装置、下起升装置5、随动铁钻工8和机械手6。

第一驱动装置与上起升装置相连。上起升装置包括顶驱4，第一驱动装置包括齿轮齿条驱动机构3，齿轮齿条机构能够带动顶驱4在钻机的上下方向上移动。

第二驱动装置包括绞车1。

联动装置2包括滑轮系22及绳系21，绳系21的两端均与绞车1相连，能够通过绞车1的转动使滑轮系22上缠绕的绳索的总长度变长或缩短，也可以通过绞车1的刹车使滑轮系22上缠绕的绳索的总长度保持不变。

滑轮系22包括两套滑轮组，分别为滑轮组一22a和滑轮组二22b，在滑轮组一22a和滑轮组二22b之间设有一个平衡轮22c，平衡轮22c为定滑轮。绳系21中的绳索依次在滑轮组一22a、平衡轮22c和滑轮组二22b上缠绕，通过这种结构，使得滑轮组一22a和滑轮组二22b上的绳系21的张力保持恒等。

滑轮组一22a和滑轮组二22b的结构和绕线方式均相同。具体的，以滑轮组一22a为例，滑轮组一22a包括第一定滑轮221、第二定滑轮224、第一动滑轮222和第二动滑轮223，第一定滑轮221和第二定滑轮224在同一水平高度上布置，第一动滑轮222设置于第一定滑轮221和第二定滑轮224之间且低于第一定滑轮221和第二定滑轮224，第二动滑轮223布置于第一动滑轮222在竖直方向上的正下方。绳索依次缠绕在第二定滑轮224、第二动滑轮223、第一定滑轮221和第一动滑轮222上，然后与平衡轮22c相连。

进一步的，在平衡轮22c的一侧设置至少两组滑轮组一22a，另一侧设置至少两组滑轮组二22b。绳系21依次缠绕在各组滑轮组一22a上，然后经过平衡轮22c，再依次缠绕在各组滑轮组二22b上。

各个第一动滑轮222的转轴始终共线。各个第二动滑轮223的转轴始终共线。

第一动滑轮222与上起升装置相连，使得上起升装置可以与第一动滑轮222一起在竖直方向上平移，且第一动滑轮222绕自身轴线的转动不会对上起升装置的方位产生影响。本领域技术人员据此可知，可以使第一动滑轮222与上起升装置通过轴承相连。同理，第二动滑轮223与下起升装置5相连，使得下起升装置5可以与第二动滑轮223在竖直方向上平移。

顶驱4、齿轮齿条驱动机构3与第一动滑轮222相连，使得三者可以在竖直方向上同步滑动，并通过滑轮系22和绳系21带动第二动滑轮223在竖直方向上做相应的运动。顶驱4上设有用于与钻柱9端部相连的挂钩。

下起升装置5包括随动铁钻工8、动力卡瓦52和转盘及转盘梁51，转盘及转盘梁51与第二动滑轮223相连，具体的，转盘及转盘梁51一端与滑轮组一22a中的第二动滑轮223相连，另一端与滑轮组二22b中的第二动滑轮223相连。动力卡瓦52设置于转盘及转盘梁51上。钻柱9可以穿过动力卡瓦52。通过动力卡瓦52可以夹持或松开钻柱9。随动铁钻工8与转盘及转盘梁51或第二动滑轮223相连，使得随动铁钻工8可以与转盘及转盘梁51一起在竖直方向上移动。

机械手6连接于井架上，机械上用于夹持钻柱9，并用于带动钻柱9产生水平面内的移动，从而使钻柱9被移出井架或将新的钻柱9移入到井架中。

本发明实施例提供的起下钻钻机可以实现以下的连续起下钻方法，起钻时，包括以下步骤：

步骤一、下起升装置5卡住钻柱9，；

请参阅图10，具体的，在步骤一中，下起升装置5上的动力卡瓦52卡住钻柱9

步骤二、上起升装置下滑，下起升装置5上升；

请参阅图10，具体的，第一驱动装置带动上起升装置下滑，并通过联动装置2带动下起升装置5上升，使得下起升装置5保持与上起升装置大小相等、方向相反的移动速度，上起升装置和下起升装置5相互靠近。

步骤三、上起升装置减速下滑、停车并开始上升，直至下起升装置5和上起升装置保持相同速度上升；

请参阅图11，具体的，在步骤三中，第一驱动装置带动上起升装置减速下滑、停车并反向，且此时第二驱动装置中的绞车1收绳，从而改变上起升装置与下起升装置5之间的联动关系，使下起升装置5与上起升装置保持相同的速度上升。

步骤四、上起升装置连接钻柱9并继续上升，下起升装置5与钻柱9分离，下起升装置5下滑；

请参阅图11及图12，具体的，在步骤四中，上起升装置中的顶驱4连接钻柱9，第一驱动装置带动上起升装置上升，从而继续提升钻柱9。下起升装置5上的动力卡瓦52打开从而与钻柱9分离，然后绞车1放绳，从而再次改变上起升装置与下起升装置5之间的联动关系，使得在上起升装置上升的同时下起升装置5开始下滑。

步骤五、上起升装置继续上升，下起升装置5继续下滑，在下起升装置5靠近最低位时，下起升装置5减速下滑直至停车；

具体的，在步骤五中，第一驱动装置继续带动上起升装置上升，绞车1继续放绳使下起升装置5继续下滑。在下起升装置5靠近最低位时，绞车1放缓放绳速度，使得下起升装置5减速下滑，当绞车1的放绳速度刚好补偿上起升装置的上升所需要的绳索伸长速度时，下起升装置5停车。

步骤六、待下一钻柱9头高于下起升装置5时，下起升装置5与上起升装置保持相同的上升速度，下起升装置5与下一钻柱9头卡接，同时进行卸扣；

请参阅图12及图13，具体的，在步骤六中，在顶部的钻柱9被提起的过程中，下一钻柱9端部随待起钻钻柱9一起被提起。待下一钻柱9头部高出下起升装置5中的转盘及转盘梁51预设高度时，绞车1收绳并使下起升装置5与上起升装置保持相同的上升速度。转盘及转盘梁51上的动力卡瓦52卡住下一钻柱9，第二伸缩机构使随动铁钻工8位于井眼中心上方，随动铁钻工8进行卸扣。上述步骤中的预设高度不小于1米。具体的，在本实施例中，上述预设高度不小于1.5米。

步骤七、完成卸扣后，下起升装置5的上升速度降低，基于上起升装置与下起升装置5之间的速度差，两个钻柱9之间的距离增大，然后下起升装置5与上起升装置保持相同速度起升；

请参阅图13，具体的，在步骤七中，完成卸扣后，第二伸缩机构带动随动铁钻工8让出井眼中心，绞车1减缓收绳速度，使得下起升装置5与上起升装置之间拉开距离，再增加收绳速度，直至下起升装置5与上起升装置保持相同速度起升。此时，下起升装置5开始提起下一钻柱9。

步骤八、移出已被上起升装置提起的钻柱9。

请参阅图14，具体的，在步骤八中，通过机械手6移出已被上起升装置提起的钻柱9。

在上述步骤一至步骤八完成后，上起升装置开始下滑，绞车1从收绳状态转变为放绳状态，放出之前收入的绳长，然后刹车。下起升装置5与上起升装置保持大小相等、方向相反的速度，重复进行步骤上述所有步骤，即可实现反复的连续起钻。

本实施例提供的上述连续起钻方法，在起钻的过程中，能够实现不间断连续性起钻，降低了井眼内部钻井液的波动，保证了起钻工作的稳定、高效，减少了不必要的效率浪费。其作业流程相对于传统钻井系统简单可靠。

下钻流程与上述的起钻流程相反，具体的，连续下钻方法包括以下步骤：

步骤一、移入待下钻钻柱9，上起升装置提起该待下钻钻柱9，下起升装置5卡住前一已下钻柱9并下降；

具体的，在步骤一中，通过机械手6移入待下钻钻柱9，上起升装置的顶驱4提起该待下钻钻柱9，下起升装置5的动力卡瓦52卡住前一已下钻柱9。此时绞车1放绳，上起升装置在第一驱动装置的驱动下下降，通过联动装置2和处于放绳状态的绞车1，下起升装置5下降；

步骤二、上起升装置下降，然后下起升装置5的下降速度放缓，基于上起升装置与下起升装置5之间的速度差，两个钻柱9之间的距离缩小，直至待下钻钻柱9与前一已下钻柱9靠近，然后上起升装置与下起升装置5保持同样的速度下降，进行上扣作业；

具体的，在步骤二中，通过绞车1控制放绳速度，即绞车1使放绳速度放缓，下起升装置5的下降速度放缓，使得两个钻柱9之间的距离缩小，然后绞车1再次增加放绳速度，使上起升装置和下起升装置5以同样的速度下降，便于下起升装置5上的随动铁钻工8进行上扣作业。

步骤三、完成上扣后，下起升装置5与前一已下钻柱9分离；

具体的，在步骤三中，下起升装置5上的动力卡瓦52与前一已下钻柱9分离。待下钻钻柱9和井眼中的钻柱9均由上起升装置提起。

步骤四、上起升装置继续下降，下起升装置5开始上升；

具体的，在步骤四中，在第一驱动装置的驱动下，上起升装置下降，带动所有钻柱9一起下降。绞车1开始收绳，使下起升装置5开始上升，从而上起升装置与下起升装置5的距离逐渐缩短。

步骤五、待上起升装置与下起升装置5靠近时，下起升装置5开始反向，并保持与上起升装置相同的速度下降；

具体的，在步骤五中，上起升装置与下起升装置5靠近到适宜范围时，绞车1开始放绳，使得下起升装置5与上起升装置保持相同的速度下降。本领域技术人员可以根据实际情况决定此处的适宜范围的具体数值，使得下起升装置5可以卡持在钻柱9的适当位置。

步骤六、下起升装置5卡住待下钻钻柱9，上起升装置与待下钻钻柱9分离；

具体的，在步骤六中，下起升装置5上的动力卡瓦52卡住待下钻钻柱9，上起升装置上的顶驱4与待下钻钻柱9分离，待下钻钻柱9及井眼中的其余钻柱9的重力施加到下起升装置5上。

步骤七、下起升装置5继续下降，上起升装置开始上升。

具体的，在步骤七中，绞车1再次控制放绳速度直至刹车，上起升装置在第一驱动装置的作用下开始上升，在联动装置2和处于刹车状态的绞车1的共同作用下，下起升装置5下降，且与上起升装置的速度大小相等。

在上述步骤一至步骤七完成后，上起升装置与下起升装置5保持大小相等、方向相反的转速，直至上起升装置到达顶部停车，下一个待下钻钻柱9被移入到上起升装置上，然后重复步骤一至步骤七，从而实现反复的连续下钻。

本实施例提供的上述连续下钻方法，在下钻的过程中，能够实现不间断连续性下钻，降低了井眼内部钻井液的波动，保证了下钻工作的稳定、高效，减少了不必要的效率浪费。其作业流程相对于传统钻井系统简单可靠。

实施例3

请参阅图1-图5。本发明实施例提供了一种起下钻钻机，其至少能够用于实现实施例1中的起下钻方法和实施例2中的连续起下钻方法。

具体的，本实施例中的起下钻钻机包括第一驱动装置、第二驱动装置、联动装置2、上起升装置、下起升装置5、钻台卡瓦7、铁钻工和机械手6。

其中，第一驱动装置、联动装置2、上起升装置、下起升装置5、钻台卡瓦7和机械手6的结构与实施例1和实施例2中的相同，在此不再赘述。

本实施例中的第二驱动装置选择为绞车1，可以通过绞车1在收绳、放绳和刹车三种状况下的切换实现实施例2中的连续起下钻方法，也可以使绞车1一直保持刹车状态，从而使绞车1能够作为实施例1中的绳系固定装置使用。

本实施例中的铁钻工用于进行上卸扣操作，在用于实现实施例2中所述的连续起下钻方法时，将铁钻工通过第二伸缩机构安装在下起升装置5上，从而作为随动铁钻工8使用，钻台卡瓦7始终处于打开状态，不参与工作；在用于实现实施例1中所述的起下钻方法时，将铁钻工通过第一伸缩机构安装在钻台面上，从而作为钻台铁钻工81使用，钻台卡瓦7参加工作。

在本发明的其他实施方式中，还可以在保留第二驱动装置的驱动能力的情况下，即：使绞车1可以收绳、放绳和刹车的情况下，分别做出如下结构设置：

一、设置钻台铁钻工81而不设置随动铁钻工8，即：在实施例2提供的起下钻钻机的基础上，将随动铁钻工8更改为钻台铁钻工81和钻台卡瓦7，此时，该起下钻钻机可以用于实现上卸扣时需要等待的起下钻操作；

二、同时设置钻台铁钻工81和随动铁钻工8，即：在实施例2提供的起下钻钻机的基础上，增设钻台铁钻工81和钻台卡瓦7，通过钻台铁钻工81和随动铁钻工8的交替配合工作，有助于该起下钻钻机实现更多不同的工作模式。

本发明实施例提供的起下钻钻机，在正常工作中时，可以采用实施例2中所述的连续起下钻方法，从而获得更高的效率；在绞车1出现故障、需要维修或保养时，则对该起下钻钻机进行简单改装，从而采用实施例1中的起下钻方法。本发明实施例提供的起下钻钻机的工作模式多样，能够根据不同的生产情况进行工作模式的切换。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种起下钻钻机，其特征在于，包括第一驱动装置、联动装置(2)、上起升装置和下起升装置(5)；

所述上起升装置包括顶驱(4)；

所述下起升装置(5)包括用于卡接钻柱(9)的动力卡瓦(52)，所述上起升装置和所述下起升装置(5)能够在所述起下钻钻机的高度方向上相互靠近或远离；

所述第一驱动装置与所述上起升装置或所述下起升装置(5)相连，所述上起升装置与所述下起升装置(5)通过联动装置(2)相连，使得可以实现在所述上起升装置移动时，所述下起升装置(5)随所述上起升装置一起移动。

2.根据权利要求1所述的起下钻钻机，其特征在于，所述第一驱动装置与所述上起升装置相连，所述第一驱动装置包括齿轮齿条驱动机构(3)。

3.根据权利要求2所述的起下钻钻机，其特征在于，所述联动装置(2)包括绳系(21)和滑轮组，所述滑轮组包括通过绳系(21)相连的定滑轮、第一动滑轮(222)和第二动滑轮(223)，所述定滑轮固定连接于井架上，所述第一动滑轮(222)与所述上起升装置相连，所述第二动滑轮(223)与所述下起升装置(5)相连；

所述绳系(21)长度不变时，所述第一动滑轮(222)的移动将带动所述第二动滑轮(223)移动，使所述第一动滑轮(222)与所述第二动滑轮(223)相互靠近或远离。

4.根据权利要求3所述的起下钻钻机，其特征在于，在一个所述滑轮组中，所述定滑轮的数量为两个，分别为第一定滑轮(221)和第二定滑轮(224)，所述绳系(21)依次与所述第二定滑轮(224)、所述第二动滑轮(223)、所述第一定滑轮(221)和所述第一动滑轮(222)相连；

所述第一动滑轮(222)设于所述第一定滑轮(221)与所述第二定滑轮(224)之间，且位于所述第一定滑轮(221)和所述第二定滑轮(224)的下方；

所述第二动滑轮(223)位于所述第一动滑轮(222)的正下方。

5.根据权利要求4所述的起下钻钻机，其特征在于，所述滑轮组的数量为至少两套，分别为滑轮组一(22a)和滑轮组二(22b)，所述滑轮组一(22a)与所述滑轮组二(22b)之间设有平衡轮(22c)，所述平衡轮(22c)包括定滑轮，所述绳系(21)依次连接于所述滑轮组一(22a)、平衡轮(22c)和所述滑轮组二(22b)上。

6.根据权利要求4或5所述的起下钻钻机，其特征在于，还包括绳系固定装置、钻台卡瓦(7)和钻台铁钻工(81)；

所述绳系(21)的端部与所述绳系固定装置相连；

所述钻台卡瓦(7)和所述钻台铁钻工(81)设置于钻台面上；

所述钻台铁钻工(81)与钻台面通过第一伸缩机构相连，使得所述钻台铁钻工(81)可位于井眼中心正上方或让出井眼中心。

7.根据权利要求4或5所述的起下钻钻机，其特征在于，还包括第二驱动装置，所述绳系(21)的端部与所述第二驱动装置相连，所述第二驱动装置用于缩短或延长所述绳系(21)的长度，或使所述绳系(21)的长度保持不变；

所述下起升装置(5)包括第二伸缩机构和随动铁钻工(8)，所述第二伸缩机构用于带动所述随动铁钻工(8)位于井眼中心正上方或让出井眼中心。

8.根据权利要求7所述的起下钻钻机，其特征在于，还包括钻台卡瓦(7)和钻台铁钻工(81)，所述钻台卡瓦(7)和所述钻台铁钻工(81)设置于钻台面上；

所述钻台铁钻工(81)与钻台面通过第一伸缩机构相连，所述第一伸缩机构用于带动所述钻台铁钻工(81)位于井眼中心正上方或让出井眼中心。

9.根据权利要求7所述的起下钻钻机，其特征在于，所述第二驱动装置包括绞车(1)，所述绞车(1)用于缩短或延长所述绳系(21)的长度，或使所述绳系(21)的长度保持不变。

10.根据权利要求4或5所述的起下钻钻机，其特征在于，还包括第二驱动装置、钻台卡瓦(7)和钻台铁钻工(81)，所述绳系(21)的端部与所述第二驱动装置相连，所述第二驱动装置用于缩短或延长所述绳系(21)的长度，或使所述绳系(21)的长度保持不变；

所述钻台卡瓦(7)和所述钻台铁钻工(81)设置于钻台面上；

所述钻台铁钻工(81)与钻台面通过第一伸缩机构相连，所述第一伸缩机构用于带动所述钻台铁钻工(81)位于井眼中心正上方或让出井眼中心。

11.根据权利要求10所述的起下钻钻机，其特征在于，所述第二驱动装置包括绞车(1)，所述绞车(1)用于缩短或延长所述绳系(21)的长度，或使所述绳系(21)的长度保持不变。

12.根据权利要求1所述的起下钻钻机，其特征在于，所述下起升装置(5)还包括转盘及转盘梁(51)，所述下起升装置(5)连接于所述转盘及转盘梁(51)上，所述联动装置(2)与所述转盘及转盘梁(51)相连。

13.根据权利要求1所述的起下钻钻机，其特征在于，还包括机械手(6)，所述机械手(6)用于将钻柱(9)移出或移入所述起下钻钻机。

14.一种起钻方法，其特征在于，包括以下步骤：

使待起钻钻柱(9)头高于钻台面，下起升装置(5)卡住所述待起钻钻柱(9)；

上起升装置下移，下起升装置(5)上移并提升所述待起钻钻柱(9)，直至所述上起升装置和所述下起升装置(5)相遇；

所述上起升装置接住所述待起钻钻柱(9)，所述下起升装置(5)松开所述待起钻钻柱(9)，所述上起升装置上移继续提升所述待起钻钻柱(9)及井眼中的其他钻柱(9)，同时所述下起升装置(5)下移靠近井眼中心；

上起升装置停车，使下一钻柱(9)头高于钻台面，钻台卡瓦(7)卡住所述下一钻柱(9)，钻台铁钻工(81)进行卸扣作业，随卸扣作业的进行，上起升装置上升，使待起钻钻柱(9)与井眼中的其他钻柱(9)分离；

卸扣后，钻台铁钻工(81)让出井眼中心，上起升装置继续向上提升所述待起钻钻柱(9)，下起升装置(5)继续下滑并卡持井眼中的待起钻钻柱(9)，然后钻台卡瓦(7)打开。

15.一种下钻方法，其特征在于，包括以下步骤：

上起升装置提起待下钻钻柱(9)；

钻台卡瓦(7)卡住所述待下钻钻柱(9)，钻台铁钻工(81)进行上扣作业，将所述待下钻钻柱(9)与井眼中的其余钻柱(9)连接到一起；

上扣后，所述钻台铁钻工(81)移动让出井眼中心；

所述上起升装置下移，下起升装置(5)上移，所述上起升装置与所述下起升装置(5)相互靠近，所述上起升装置下放所述待下钻钻柱(9)，直至所述上起升装置和所述下起升装置(5)相遇；

所述下起升装置(5)卡住所述待下钻钻柱(9)，所述上起升装置与所述钻柱(9)分离；

所述上起升装置上升，所述下起升装置(5)带动所述待下钻钻柱(9)继续下移，继续下放所述待下钻钻柱(9)。

16.一种连续起钻方法，其特征在于，包括以下步骤：

下起升装置(5)卡住待起钻钻柱(9)；

上起升装置下滑，所述下起升装置(5)上升；

所述上起升装置减速下滑、停车并开始上升，直至所述下起升装置(5)和所述上起升装置保持相同速度上升；

所述下起升装置(5)与所述待起钻钻柱(9)分离，所述上起升装置夹持所述待起钻钻柱(9)并继续上升，所述下起升装置(5)下滑；

所述上起升装置继续上升，所述下起升装置(5)继续下滑，在所述下起升装置(5)靠近最低位时，所述下起升装置(5)减速下滑直至停车；

待井眼中的下一钻柱(9)头高于所述下起升装置(5)时，控制所述下起升装置(5)与所述上起升装置保持相同的上升速度，所述下起升装置(5)与所述下一钻柱(9)头卡接，同时进行卸扣；

完成卸扣后，所述下起升装置(5)的上升速度降低，基于所述上起升装置与所述下起升装置(5)之间的速度差，两个所述钻柱(9)之间的距离增大，然后所述下起升装置(5)与所述上起升装置保持相同速度起升；

移出已被所述上起升装置提起的所述待起钻钻柱(9)。

17.一种连续下钻方法，其特征在于，包括以下步骤：

移入待下钻钻柱(9)，上起升装置提起所述待下钻钻柱(9)，下起升装置(5)卡住前一已下钻钻柱(9)并下降；

所述上起升装置下降，然后所述下起升装置(5)的下降速度放缓，基于所述上起升装置与所述下起升装置(5)之间的速度差，两个所述钻柱(9)之间的距离缩小，直至所述待下钻钻柱(9)与所述前一已下钻钻柱(9)靠近，然后所述上起升装置与所述下起升装置(5)保持同样的速度下降，进行上扣作业；

完成上扣后，所述下起升装置(5)与所述前一已下钻钻柱(9)分离；

所述上起升装置继续下降，所述下起升装置(5)开始上升；

所述上起升装置与所述下起升装置(5)靠近至适宜距离时，所述下起升装置(5)开始反向，并保持与所述上起升装置相同的速度下降；

所述下起升装置(5)卡住所述待下钻钻柱(9)，所述上起升装置与所述待下钻钻柱(9)分离；

所述下起升装置(5)继续下降，所述上起升装置开始上升。

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