[发明专利]用于将钻杆移至和移出操作位置的钻杆处理系统

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请要求提交于2013年12月30日的美国临时专利申请No.61/921,830以及提交于2014年9月19日的美国临时专利申请No.62/052,712的优先权，所述申请的每一者据此全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及用于将钻杆固定在操作位置以进行钻井和杆处理操作的钻头组件。本发明另外涉及当钻杆被固定到钻头组件后用于接合钻杆的加载装置。

背景技术

在钻井操作之前，必须将钻杆固定在钻头组件的卡盘中。常规地，工人用手在允许卡盘螺纹接合钻杆的位置支承、提升和/或旋转钻杆。通常，工人将主线起重机插头旋入新杆上。当起重机提升杆时，工人将新杆的一端导向到孔中的前一个杆上方，并且手动旋转卡盘以接合钻杆的螺纹。随后重新定位并旋转卡盘以将足够扭矩施加于杆来形成接合部。理想的是，工人将钻杆稳定，使得钻杆不随卡盘旋转而是在卡盘内轴向推进。然而，在实施过程中，支承钻杆的工人常常无法防止钻杆旋转，并且工人还经常无法保持钻杆与卡盘对准。这些问题造成在将钻杆与卡盘接合的过程中效率低下并且经常导致工人受伤。

解决这些问题的一些常规尝试包括浮动装置，诸如花键/弹簧组件，以及液压浮动装置，诸如进料气缸阀。这两种尝试均允许在旋转期间的轴向平移。然而，花键式浮动装置昂贵并且笨重，并且可增加钻头组件的总体长度。在旋入和/或旋出接合部之前施加压缩这些浮动装置的弹簧所需的力并不总是实际可行的。此外，由于钻杆并不总是被取向成与进料汽缸平行，因此并非总能使用液压浮动装置。

另外，由于常规杆加载器和杆圆盘传送带/储料容器的复杂性，这些杆加载器和杆圆盘传送带/储料容器无法以经济有效的方式改装到现有钻井系统。此外，这些现有产品仅适用于特定的钻头和/或钻桅几何形状。

因此，在相关技术中，需要在钻杆接合部的旋入和旋出期间减少手动钻杆处理的装置和系统。在相关技术中，还需要提高钻杆处理中的人类工程学、安全性和生产效率的装置和系统。

发明内容

本文描述的是用于将钻杆固定在操作位置的钻头组件。钻杆可具有纵向轴线，并且钻头组件可操作地联接到钻桅。钻桅可具有纵向轴线。钻头组件可具有支架，该支架被配置成相对于钻桅的纵向轴线和基本上垂直于钻桅的纵向轴线的横向轴线两者移动。钻头组件也可具有由支架可操作地支承的卡盘。卡盘可具有纵向轴线并且限定开口。卡盘的开口可被配置以牢固地接纳钻杆的一部分，使得钻杆的纵向轴线与卡盘的纵向轴线基本上轴向对准。支架可被配置成在第一位置和第二位置之间移动。在第一位置，卡盘的纵向轴线可基本上平行于钻桅的纵向轴线。支架可被配置成相对于横向轴线按序轴向以及随后枢转移动以到达第二位置。在第二位置中，卡盘的纵向轴线可基本上平行于钻井地层的表面。当钻孔为基本上竖直(其纵向轴线基本上平行于钻桅的纵向轴线)时，可以设想的是，在第二位置中，卡盘的纵向轴线可基本上垂直于钻桅的纵向轴线(以及钻孔的纵向轴线)。当钻孔相对于钻桅的纵向轴线成角度时，可以设想的是，卡盘的纵向轴线可被定位成相对于钻孔的纵向轴线成对应的锐角。在支架在第一位置和第二位置之间移动期间，支架的枢转移动可受到限制，直至相对于横向轴线的轴向移动完成。

另外描述的是用于接合相对于平移轴线移动的钻杆的加载装置。加载装置可具有基座组件，该组件具有至少一个近侧辊和至少一个远侧辊。至少一个近侧辊可与至少一个远侧辊间隔开。近侧辊和远侧辊可具有相应的纵向轴线，并且至少一个近侧辊的纵向轴线可基本上平行于至少一个远侧辊的纵向轴线。近侧辊和远侧辊的纵向轴线可基本上垂直于平移轴线。加载装置也可具有固定到基座组件的支承组件。支承组件可具有至少一个支承辊，并且所述至少一个支承辊中的每个支承辊可具有相应的纵向轴线。至少两个支承辊的纵向轴线可基本上平行。至少两个支承辊的纵向轴线可基本上垂直于平移轴线及近侧辊和远侧辊的纵向轴线。加载装置也可具有与相对于横向轴线的支承组件间隔开的夹持组件。横向轴线可基本上平行于近侧辊和远侧辊的纵向轴线。夹持组件可具有至少一个夹持辊，该夹持辊被配置成相对于横向轴线在打开位置和接合位置之间移动。近侧辊、远侧辊、支承辊和夹持辊可配合以限定接纳空间。接纳空间可被配置成接纳钻杆的至少一部分。在夹持辊的接合位置中，近侧辊、远侧辊、支承辊和夹持辊可被定位成与钻杆接合。