CN114412359B - 双杆定向钻井系统 - Google Patents

Abstract

本公开是关于一种双杆定向钻井系统，动力钻杆的轴线和动力套管的轴线与动力头的转轴方向基本重合。支架平移装置驱动上杆机构，使得套管沿动力套管的轴线方向平移，钻杆沿动力钻杆的轴线方向平移，使得将套管与动力套管连接，钻杆与动力钻杆连接。动力套管将动力头的转动力矩和轴向力传递至套管上，从而实现钻杆与动力钻杆固定，动力钻杆将动力头的转动力矩和轴向力传递至钻杆上，从而实现钻杆与动力钻杆固定。上杆机构的平移运动减少了动力头的运动范围，保证了整体机构的小型化，并且装卸简单，工作效率高，工作强度小。

Description

双杆定向钻井系统

技术领域

本公开涉及钻探技术领域，具体而言，涉及一种双杆定向钻井系统。

背景技术

由于钻井系统钻进的过程中，需要不断增加钻柱的长度，因此钻井系统通常在驱动钻杆旋转的钻杆驱动机构上不断增加新的钻杆。此外，在钻杆取出的过程中，在钻杆驱动机构上不断的卸下钻杆。

然而，传统的定向钻井系统需要操作人员手动装卸钻柱，需要的操作空间大，装卸难度高，工作效率低，工作强度大。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于克服现有钻井系统需要的操作空间大，装卸难度高，工作效率低，工作强度大的问题，提供一种双杆定向钻井系统。

根据本公开的一个方面，提供一种双杆定向钻井系统，包括机身、动力头和上杆机构，动力头和上杆机构设于机身，上杆机构可相对于机身移动，上杆机构上设有套管和钻杆；上杆机构包括支架平移装置，支架平移装置用于驱动上杆机构，以使得套管和钻杆沿动力头的转轴方向平移；动力头包括动力套管和动力钻杆，动力套管沿动力头的转轴方向设置，动力套管用于连接套管，以使得动力头的转动力矩和轴向力传递至套管；动力钻杆沿动力头的转轴方向设置，动力钻杆用于连接钻杆，以使得动力头的转动力矩和轴向力传递至钻杆。

在本公开的一个实施例中，支架平移装置包括导向结构、平移滑块和平移驱动器，导向结构固定于机身上，导向结构与动力套管或动力钻杆的轴线平行；平移滑块与导向结构滑动连接；平移驱动器一端固定于机身上，另一端与平移滑块固定连接，平移驱动器用于驱动平移滑块滑动。

在本公开的一个实施例中，上杆机构还包括上杆支架、上杆摆臂装置和摆动驱动机构，摆动驱动机构设于上杆支架上，摆动驱动机构用于为上杆摆臂装置提供摆动旋转的扭转力矩，上杆摆臂装置包括定位机构，定位机构用于限定钻杆和套管的位置。

在本公开的一个实施例中，上杆摆臂装置包括定位机构，定位机构包括第一定位部件、第二定位部件和第三定位部件，第一定位部件设于上杆支架上，第一定位部件包括第一管状本体和沿第一管状本体的径向延伸的第一环形凸出部，第一管状本体的内表面与钻杆的外表面接触，第一环形凸出部的外表面与套管的内表面接触；第二定位部件连接于第一定位部件的内表面，第二定位部件的端面与钻杆的端面接触；第三定位部件包括第二管状本体和沿第二管状本体的径向延伸的第二环形凸出部，第二管状本体与第一管状本体同轴间隔设置，第二管状本体与第二定位部件连接，第二环形凸出部的端面与套管的端面接触。

在本公开的一个实施例中，上杆机构还包括夹持机构，夹持机构包括钻杆夹持臂和套管夹持臂，钻杆夹持臂设于上杆摆臂装置上，钻杆夹持臂用于夹持钻杆；套管夹持臂设于上杆摆臂装置上，套管夹持臂用于夹持套管。

在本公开的一个实施例中，套管夹持臂包括套管第一夹爪、套管第二夹爪和套管夹紧油缸，套管第一夹爪的一端连接于上杆摆臂装置，另一端转动连接套管第二夹爪，套管夹紧油缸的一端转动连接于套管第一夹爪上，另一端转动连接于套管第二夹爪上，套管夹紧油缸用于驱动套管第一夹爪相对套管第二夹爪转动。

在本公开的一个实施例中，钻杆夹持臂包括钻杆第一夹爪、钻杆第二夹爪和钻杆夹紧油缸，钻杆第一夹爪的一端转动连接于上杆摆臂装置，钻杆第一夹爪的另一端转动连接钻杆第二夹爪，钻杆夹紧油缸的一端转动连接于钻杆第一夹爪上，另一端转动连接于钻杆第二夹爪上。

在本公开的一个实施例中，钻杆夹持臂还包括钻杆摆动松开油缸，钻杆摆动松开油缸的一端与上杆摆臂装置转动连接，另一端与钻杆第一夹爪转动连接，钻杆摆动松开油缸用驱动钻杆第一夹爪离开钻杆。

在本公开的一个实施例中，套管夹持臂包括第一套管夹持臂和第二套管夹持臂，第一套管夹持臂夹持套管的一端，第二套管夹持臂用于夹持套管的另一端。

在本公开的一个实施例中，上杆机构还包括支架旋转装置，支架旋转装置与平移滑块连接，支架旋转装置用于驱动上杆机构相对于机身转动，以使得上杆机构旋转至与工作面平行。

本公开的双杆定向钻井系统，动力钻杆的轴线和动力套管的轴线与动力头的转轴方向基本重合。支架平移装置驱动上杆机构，使得套管沿动力套管的轴线方向平移，钻杆沿动力钻杆的轴线方向平移，使得将套管与动力套管连接，钻杆与动力钻杆连接。动力套管将动力头的转动力矩和轴向力传递至套管上，从而实现钻杆与动力钻杆固定，动力钻杆将动力头的转动力矩和轴向力传递至钻杆上，从而实现钻杆与动力钻杆固定。上杆机构的平移运动减少了动力头的运动范围，保证了整体机构的小型化，并且装卸简单，工作效率高，工作强度小。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例涉及的双杆定向钻井系统的立体结构图。

图2为本公开实施例涉及的双杆定向钻井系统的俯视图。

图3为本公开实施例涉及的上杆机构的结构示意图。

图4为本公开实施例涉及的上杆机构由钻柱加载位置摆动到钻柱连接位置的示意图。

图5为本公开实施例涉及的夹持机构夹持钻杆和套管时的示意图。

图6为本公开实施例涉及的定位机构与钻杆和套管配合时示意图。

图7为本公开实施例涉及的第一套管夹持臂的剖面示意图。

图8为本公开实施例涉及的钻杆夹持臂的剖面示意图。

图9为本公开实施例涉及的支架平移装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-机身，2-动力头，21-动力套管，22-动力钻杆，3-自动上杆机构，31-上杆支架，32-支架平移装置，321-导向结构，322-平移滑块，323-平移驱动器，33-支架旋转装置，34-摆动驱动机构，35-上杆摆臂装置，351-第一定位部件，352-第二定位部件，353-第三定位部件，354-过渡件，355-螺栓，36-钻杆夹持臂，361-钻杆第一夹爪，362-钻杆第二夹爪，363-钻杆夹紧油缸，364-钻杆摆动松开油缸，37-第一套管夹持臂，371-套管第一夹爪，372-套管第二夹爪，373-套管夹紧油缸，38-第二套管夹持臂，4-卸扣器，5-钻杆，6-套管。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

由于钻井系统钻进的过程中，需要不断增加钻柱的长度，因此钻井系统通常在驱动钻杆旋转的钻杆驱动机构上不断增加新的钻杆。此外，在钻杆取出的过程中，在钻杆驱动机构上不断的卸下钻杆。

典型的双杆定向钻井系统通常被配置成将一系列首尾相连的钻杆和套管驱动到工作面中以形成钻柱，位于最末端的钻杆上设置有驱动钻头的孔径马达，位于最末端的套管上设置有扩孔钻头。

对于带有套管和钻杆的双杆定向钻井系统而言，由于套管套在整个钻杆外部，如果将套管和钻杆同时对准安装，则难以保证套管和钻杆的螺纹都能够同时对准，如果先拧卸钻杆，然后再装配套管，则需要将套管从钻杆的末端套入，需要的操作空间大，装卸难度高。特别是在矿井内部使用钻机时，由于周围空间受限。

另外，定向钻井系统需要操作人员手动装卸钻柱，往往难以保证钻杆与驱动机构上的动力钻杆的轴线吻合，螺纹连接的难度大，导致工作效率低、工人工作强度大等问题，并且钻杆的连接质量也不能保证，还容易发生安全问题。

基于此，本公开实施方式提供了一种双杆定向钻井系统。该双杆定向钻井系统包括机身、动力头和上杆机构，动力头和上杆机构设于机身，上杆机构可相对于机身移动，上杆机构上设有套管和钻杆；上杆机构包括支架平移装置，支架平移装置用于驱动上杆机构，以使得套管和钻杆沿动力头的转轴方向平移；动力头包括动力套管和动力钻杆，动力套管沿动力头的转轴方向设置，动力套管用于连接套管，以使得动力头的转动力矩和轴向力传递至套管；动力钻杆沿动力头的转轴方向设置，动力钻杆用于连接钻杆，以使得动力头的转动力矩和轴向力传递至钻杆。

动力钻杆的轴线和动力套管的轴线与动力头的转轴方向基本重合。支架平移装置驱动上杆机构，使得套管沿动力套管的轴线方向平移，钻杆沿动力钻杆的轴线方向平移，使得将套管与动力套管连接，钻杆与动力钻杆连接。动力套管将动力头的转动力矩和轴向力传递至套管上，从而实现钻杆与动力钻杆固定，动力钻杆将动力头的转动力矩和轴向力传递至钻杆上，从而实现钻杆与动力钻杆固定。上杆机构的平移运动减少了动力头的运动范围，保证了整体机构的小型化，并且装卸简单，工作效率高，工作强度小。

下面对上述双杆定向钻井系统进行详细说明。

如图1和图2所示，该双杆定向钻井系统包括：机身1、动力头2、上杆机构3、卸扣器4、钻杆5和套管6。机身1一般连接于钻机底盘上，机身1可相对于钻机底盘转动，以调整钻柱相对于工作面的角度。需要说明的是，这里的工作面通常指的是地面。

动力头2为钻杆5和套管6提供螺纹拧卸和钻进的扭转力矩，以及为钻杆和套管提供向下钻进的轴向力，动力头2可以为具有两个独立动力驱动机构和独立传动机构的双动力动力头。

动力头2包括动力套管21和动力钻杆22，动力套管21沿动力头2的转轴方向设置，动力套管21的一端与动力头2的驱动机构连接，将扭转力矩和轴向力传递至套管6，动力套管21的另一端设置有螺纹，通过该螺纹与添加到钻柱上的套管6的螺纹配合，实现动力套管21与拟添加到钻柱上的套管6固定连接。

动力钻杆22沿动力头2的转轴方向设置，动力钻杆22的一端与动力头的驱动机构连接，将扭转力矩和轴向力传递至钻杆5，动力钻杆22的另一端设置有螺纹，通过该螺纹与拟添加到钻柱上的钻杆5的螺纹配合，实现动力钻杆22与拟添加到钻柱上的钻杆5固定连接。

可以理解的是，钻柱的转轴、动力头2的转轴、钻杆5的转轴和套管6的转轴位于同一条直线上。

在接入新的钻杆5和套管6的工况下，需要钻杆5与动力钻杆22的轴线高度吻合，套管6与动力套管21的轴线高度吻合，否则钻杆5与动力钻杆22的螺纹连接处，以及套管6与动力套管21的螺纹连接处会造成严重磨损，甚至无法完成连接操作。

一般手动将钻柱上的钻杆5和套管6放置于上杆机构3上，上杆机构3自动实现对钻杆5和套管6的夹紧。上杆机构3设于机身1的一端，上杆机构3能绕机身1摆动，将钻杆5和套管6转移至与动力头2的转轴方向重合的位置。

卸扣器4用于对钻杆5和套管6进行夹紧和卸扣操作，松开钻杆5和套管6之间的螺纹连接，以便卸下钻杆5和套管6或接入新的钻杆5和套管6。

参考图3和图4，上杆机构包括上杆支架31、支架平移装置32、支架旋转装置33、摆动驱动机构34、上杆摆臂装置35、钻杆夹持臂36、第一套管夹持臂37和第二套管夹持臂38。上杆支架31可移动的设置于机身1上，上杆支架31用于支撑上杆机构3的其他零部件，并带动上杆机构3的其他零部件沿钻柱的轴向运动。需要说明的是，其他零部件包括但不限于支架平移装置32、支架旋转装置33、摆动驱动机构34、上杆摆臂装置35、钻杆夹持臂36、第一套管夹持臂37和第二套管夹持臂38。

第一套管夹持臂37和第二套管夹持臂38用于在安装和拆卸的工况下夹持住套管6。第一套管夹持臂37和第二套管夹持臂38的结构基本相同，第一套管夹持臂37和第二套管夹持臂38的尺寸大小基本相同。钻杆夹持臂36用于在安装和拆卸的工况下夹持住钻杆5，钻杆夹持臂36与第一套管夹持臂37和第二套管夹持臂38的结构近似。由于钻杆5的直径小于套管6的直径，因此钻杆夹持臂36的夹爪尺寸小于第一套管夹持臂37和第二套管夹持臂38的夹爪尺寸。

上杆摆臂装置35用于支撑钻杆夹持臂36、第一套管夹持臂37和第二套管夹持臂38，上杆摆臂装置35能够沿特定轴线转动，将钻杆5和套管6由钻柱加载位置L摆动到钻柱连接位置D。摆动驱动机构34用于为上杆摆臂装置35提供摆动旋转的扭转力矩，该摆动驱动机构34可以是液压马达、电动马达或其他动力装置。

支架平移装置32设于上杆支架31上，支架平移装置32能够驱动上杆支架31沿平行于动力套管21和动力钻杆22轴线的方向运动，从而驱动上杆机构3沿平行于动力套管21和动力钻杆22轴线的方向运动。上杆机构3的平移运动减少了动力头2的运动范围，保证了整体机构的小型化。

由于不同使用场景下，钻柱朝向工作面的钻进的角度不同，机身1可相对工作面可以有很大范围的角度调整，当机身1与工作面基本平行时，操作者可轻松的将钻杆5和套管6安装到上杆机构3上，但当机身1与工作面处于较大角度时，操作者将钻杆5和套管6安装到上杆机构3上则十分困难，因此设置支架旋转装置33，支架旋转装置33可以与支架平移装置32连接，支架旋转装置33驱动支架平移装置32转动，从而带动上杆机构3整体围绕垂直于钻柱的轴线转动。当操作者将钻杆5和套管6向上杆机构3上安装时，支架旋转装置33可以带动上杆机构3旋转，使上杆机构3处于与工作面保持大致平行的角度，便于将钻杆5和套管6向上杆机构3上安装。

图5显示了钻杆5经钻杆夹持臂36，以及套管6经第一套管夹持臂37和第二套管夹持臂38夹持的状态。钻杆5和套管6的长度相等，但为了使钻杆5和套管6的轴心重合，在将钻杆5和套管6安放在上杆机构3上时，钻杆5靠近动力头2的一端伸出套管6，伸出的部分由钻杆夹持臂36夹紧，第一套管夹持臂37和第二套管夹持臂38分别夹紧套管6靠近动力头2的一端和远离动力头2的一端。

图6显示了钻杆5和套管6远离动力头2的端部。可以看出，上杆摆臂装置35包括定位机构，定位机构用于限定钻杆5和套管6的位置。定位机构包括第一定位部件351、第二定位部件352和第三定位部件353，第一定位部件351设于上杆支架31上，第一定位部件351包括第一管状本体和沿第一管状本体的径向延伸的第一环形凸出部，第一管状本体的内表面与钻杆5的外表面接触，起到了确定钻杆5径向位置的作用，第一环形凸出部的外表面与套管6的内表面接触，起到了确定套管6径向位置的作用。

第二定位部件352连接于第一定位部件351的内表面，第二定位部件352可以为与第一定位部件351内腔尺寸相匹配的柱状实心结构，第二定位部件352的端面与钻杆5的端面接触，起到了确定钻杆5轴向位置的作用。第三定位部件353包括第二管状本体和沿第二管状本体的径向延伸的第二环形凸出部，第二管状本体与第一管状本体同轴间隔设置，第二环形凸出部的端面与套管6的端面接触，起到了确定套管6轴向位置的作用。第二管状本体与第二定位部件352连接，例如：在第二管状本体与第二定位部件352之间设过渡件354，过渡件354分别与第二管状本体和第二定位部件352配合，通过螺栓355将过渡件354与第二管状本体连接，从而将第三定位部件353与第二定位部件352连接起来。

需要说明的是，第二定位部件和第三定位部件通过过渡件连接在一起。上述零部件集成设置方式，能够减少起定位和定心作用的零件数量，降低制造和装配成本、提高机构的可靠性。

第二套管夹持臂38与第一套管夹持臂37的结构相同，下面以第一套管夹持臂37为例，对套管夹持臂的结构进行说明。如图7所示，第一套管夹持臂37包括套管第一夹爪371，该套管第一夹爪371与上杆摆臂装置35固定连接，套管第一夹爪371具有与套管6相匹配的套管第一夹紧部，套管第一夹爪371可以随上杆摆臂装置35的摆动可由钻柱加载位置L摆动到钻柱连接位置D。

第一套管夹持臂37还包括套管第二夹爪372，套管第二夹爪372转动连接于套管第一夹爪371上，套管第二夹爪372沿转动连接的轴线转动，能够相对套管第一夹爪371打开和闭合，套管第二夹爪372具有与套管6相匹配的套管第二夹紧部，套管第一夹紧部与套管第二夹紧部配合夹持或者松开套管6。

第一套管夹持臂37还包括套管夹紧油缸373，套管夹紧油缸373的一端转动连接于套管第一夹爪371，另一端转动连接于套管第二夹爪372远离套管第二夹紧部的一端，套管夹紧油缸373用于驱动套管第一夹爪371相对套管第二夹爪372转动。

套管夹紧油缸373回缩，使得套管第二夹爪372远离套管第一夹爪371，打开第一套管夹持臂37。打开状态下的第一套管夹持臂37，套管第一夹紧部与套管第二夹紧部分开，便于将套管6放入套管第一夹爪371和套管第二夹爪372形成的空间中。套管夹紧油缸373伸长，使得套管第二夹爪372靠近套管第一夹爪371，闭合第一套管夹持臂37。闭合状态下的第一套管夹持臂37，套管第一夹紧部与套管第二夹紧部闭合，能够基于套管第一夹爪371和套管第二夹爪372的夹紧力，将套管6夹紧固定于上杆摆臂装置35上。

图8示出了钻杆夹持臂36。钻杆夹持臂36包括钻杆第一夹爪361，该钻杆第一夹爪361与上杆摆臂装置35转动连接，钻杆第一夹爪361具有与钻杆5相匹配的钻杆第一夹紧部，钻杆第一夹爪361能够随上杆摆臂装置35的摆动可由钻柱加载位置L摆动到钻柱连接位置D。

第一钻杆夹持臂36还包括钻杆第二夹爪362，钻杆第二夹爪362转动连接于钻杆第一夹爪361上，钻杆第二夹爪362沿转动连接的轴线，能够相对钻杆第一夹爪361打开和闭合。钻杆第二夹爪362具有与钻杆5相匹配的钻杆第二夹紧部，钻杆第一夹紧部与钻杆第二夹紧部配合夹持或者松开钻杆5。

第一钻杆夹持臂36还包括钻杆夹紧油缸363，钻杆夹紧油缸363的一端转动连接于钻杆第一夹爪361上，另一端转动连接于钻杆第二夹爪362上，另一端转动连接于钻杆第二夹爪362远离钻杆第二夹紧部的一端，钻杆夹紧油缸363用于驱动钻杆第一夹爪361相对钻杆第二夹爪362转动。

钻杆夹紧油缸363回缩，使得钻杆第二夹爪362远离钻杆第一夹爪361，打开第一钻杆夹持臂36。打开状态下的第一钻杆夹持臂36，钻杆第一夹紧部与钻杆第二夹紧部分开，便于将钻杆5放入钻杆第一夹爪361和钻杆第二夹爪362形成的空间中。钻杆夹紧油缸363伸出，使得钻杆第二夹爪362靠近钻杆第一夹爪361，闭合第一钻杆夹持臂36。闭合状态下的第一钻杆夹持臂36，钻杆第一夹紧部与钻杆第二夹紧部闭合，能够基于钻杆第一夹爪361和钻杆第二夹爪362的夹紧力，将钻杆5夹紧固定于上杆摆臂装置35上。

钻杆夹持臂36还可以包括钻杆摆动松开油缸364，钻杆摆动松开油缸364的一端与上杆摆臂装置35转动连接，另一端与钻杆第一夹爪361转动连接。当该摆动松开油缸364处于静止状态时，钻杆第一夹爪361与摆动松开油缸364以及上杆摆臂装置35构成稳定结构，钻杆第一夹爪361可以与上杆摆臂装置35同步摆动，但钻杆第一夹爪361不能相对上杆摆臂装置35转动。当摆动松开油缸364运动时，可驱动钻杆第一夹爪361相对上杆摆臂装置35转动，并使钻杆第一夹爪361朝向脱离钻杆5的方向运动。

图9示出了支架平移装置32的整体结构。支架平移装置32包括导向结构321、平移驱动器323和平移滑块322。导向结构321固定在机身1上，导向结构321与动力套管21或动力钻杆22的轴线平行，保证上杆机构3能够沿钻柱轴向运动。导向结构321可以为各类形状的柱状结构，还可以为设有凸肩或凹槽的其他直线导向结构。在本实施例中，导向结构321为圆柱，具体为平行布置两根圆柱。

平移滑块322与支架旋转装置33连接，平移滑块322具有容纳或配合导向结构321的配合部，使得平移滑块322能够与导向结构321滑动配合。平移驱动器323的一端固定于机身1上，另一端与平移滑块322固定连接，驱动平移滑块322沿导向结构321滑动，平移驱动器323可采用螺纹螺杆、齿轮齿条或液压油缸，本实施例中选择液压油缸。

上杆机构具有液压控制系统，在默认条件下，液压控制系统设为提供回退动力给平移驱动器323的液压油缸，使得上杆机构3在默认条件下整体朝向动力头方向运动。这种控制系统方法和控制系统的设置，有利于减小钻机的整体体积，特别是减小钻机沿钻杆轴线方向的长度。

具体地，为了使拟添加到钻柱上的钻杆5与动力钻杆22，以及套管6动力套管21连接，必须保证钻杆5与动力钻杆22，以及套管6与动力套管21之间有轴向运动。

相关技术中，上杆机构3固定不动，因此动力头2必须带动动力套管21和动力钻杆22向前移动，以使拟添加到钻柱上的钻杆5与动力钻杆22连接，拟添加到钻柱上的套管6与动力套管21连接，动力头2向前移动的距离越大，钻机的整体长度就要设计的越长。

本公开实施方式的上杆机构3能够沿钻柱的轴向运动，特别是在默认条件下，平移驱动器323驱动上杆机构3向动力头2的方向回退，此时动力头2不需要向前运动，双杆定向钻井系统的整体长度能够有效缩减。

下面结合图1和图2详细说明摆动松开油缸361驱动钻杆第一夹爪361相对上杆摆臂装置35转动，并使钻杆第一夹爪361与钻杆接触的部位朝向脱离钻杆5的方向运动，在具体工作场景下的设计意义。

图2示出了钻机处于上杆工况的一个中间阶段，此时钻杆5和套管6均已经由钻杆夹持臂36、第一套管夹持臂37、第二套管夹持臂38固定在上杆摆臂装置35上，并且上杆摆臂装置35已经驱动钻杆5和套管6摆动至钻柱连接位置D。

接下来支架平移装置32将带动上杆机构3整体向动力头2的方向运动，促使钻杆5的螺纹部与动力钻杆22的螺纹部接触，同时动力钻杆22在动力头2的驱动下旋转，钻杆5与动力钻杆22逐渐拧紧，在该过程中钻杆夹持臂36始终夹紧钻杆5，避免钻杆5在未拧紧的情况下跟随动力钻杆22同步旋转。但当钻杆5与动力钻杆22达到预定的拧紧力时，钻杆夹持臂36必须松开动力钻杆22，否则钻杆夹持臂36夹持动力钻杆22的位置将可能出现严重磨损，甚至导致动力头2内的驱动装置或传动零部件损坏。

当钻杆5连接到动力钻杆22上以后，支架平移装置32将继续带动上杆机构3整体向动力头2的方向运动，以便于促使套管6的螺纹部与动力套管21的螺纹部接触，将套管6连接到动力套管21上。由于动力套管21的直径大于钻杆5的直径，钻杆夹持臂36的钻杆第二夹爪362和钻杆第一夹爪361均需要张开一定角度，以确保其中间可以容纳动力套管21，否则支架平移装置32将带动上杆机构3整体向动力头2的方向运动的过程中，钻杆第二夹爪362或钻杆第一夹爪361将卡在动力套管21的端部，导致上杆机构3无法继续移动，进而无法将套管6连接到动力套管21上。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (8)

1.一种双杆定向钻井系统，其特征在于，包括机身、动力头和上杆机构，所述动力头和所述上杆机构设于所述机身，所述上杆机构可相对于所述机身移动，所述上杆机构上设有套管和钻杆；

所述上杆机构包括：

支架平移装置，用于驱动所述上杆机构，以使得所述套管和所述钻杆沿所述动力头的转轴方向平移；

所述动力头包括：

动力套管，沿所述动力头的转轴方向设置，所述动力套管用于连接所述套管，以使得所述动力头的转动力矩和轴向力传递至套管；

动力钻杆，沿所述动力头的转轴方向设置，所述动力钻杆用于连接所述钻杆，以使得所述动力头的转动力矩和轴向力传递至钻杆；

所述上杆机构还包括上杆支架、上杆摆臂装置和摆动驱动机构，所述摆动驱动机构设于所述上杆支架上，所述摆动驱动机构用于为上杆摆臂装置提供摆动旋转的扭转力矩，所述上杆摆臂装置包括定位机构，所述定位机构用于限定所述钻杆和所述套管的位置，所述上杆摆臂装置包括定位机构，所述定位机构包括：

第一定位部件，设于所述上杆支架上，所述第一定位部件包括第一管状本体和沿所述第一管状本体的径向延伸的第一环形凸出部，所述第一管状本体的内表面与所述钻杆的外表面接触，所述第一环形凸出部的外表面与所述套管的内表面接触；

第二定位部件，连接于所述第一定位部件的内表面，所述第二定位部件的端面与所述钻杆的端面接触；

第三定位部件，包括第二管状本体和沿所述第二管状本体的径向延伸的第二环形凸出部，所述第二管状本体与所述第一管状本体同轴间隔设置，所述第二管状本体与所述第二定位部件连接，所述第二环形凸出部的端面与所述套管的端面接触。

2.根据权利要求1所述的双杆定向钻井系统，其特征在于，所述支架平移装置包括：

导向结构，固定于所述机身上，所述导向结构与所述动力套管或所述动力钻杆的轴线平行；

平移滑块，与所述导向结构滑动连接；

平移驱动器，一端固定于所述机身上，另一端与所述平移滑块固定连接，所述平移驱动器用于驱动所述平移滑块滑动。

3.根据权利要求1所述的双杆定向钻井系统，其特征在于，所述上杆机构还包括夹持机构，所述夹持机构包括：

钻杆夹持臂，设于所述上杆摆臂装置上，所述钻杆夹持臂用于夹持钻杆；

套管夹持臂，设于所述上杆摆臂装置上，所述套管夹持臂用于夹持所述套管。

4.根据权利要求1所述的双杆定向钻井系统，其特征在于，所述套管夹持臂包括套管第一夹爪、套管第二夹爪和套管夹紧油缸，所述套管第一夹爪的一端连接于所述上杆摆臂装置，另一端转动连接所述套管第二夹爪，所述套管夹紧油缸的一端转动连接于所述套管第一夹爪上，另一端转动连接于所述套管第二夹爪上，所述套管夹紧油缸用于驱动所述套管第一夹爪相对所述套管第二夹爪转动。

5.根据权利要求1所述的双杆定向钻井系统，其特征在于，所述钻杆夹持臂包括钻杆第一夹爪、钻杆第二夹爪和钻杆夹紧油缸，所述钻杆第一夹爪的一端转动连接于所述上杆摆臂装置，所述钻杆第一夹爪的另一端转动连接所述钻杆第二夹爪，所述钻杆夹紧油缸的一端转动连接于所述钻杆第一夹爪上，另一端转动连接于所述钻杆第二夹爪上。

6.根据权利要求4所述的双杆定向钻井系统，其特征在于，所述钻杆夹持臂还包括钻杆摆动松开油缸，所述钻杆摆动松开油缸的一端与所述上杆摆臂装置转动连接，另一端与所述钻杆第一夹爪转动连接，所述钻杆摆动松开油缸用驱动所述钻杆第一夹爪离开钻杆。

7.根据权利要求1所述的双杆定向钻井系统，其特征在于，所述套管夹持臂包括第一套管夹持臂和第二套管夹持臂，所述第一套管夹持臂夹持所述套管的一端，所述第二套管夹持臂用于夹持所述套管的另一端。

8.根据权利要求2所述的双杆定向钻井系统，其特征在于，所述上杆机构还包括：

支架旋转装置，所述支架旋转装置与所述平移滑块连接，所述支架旋转装置用于驱动所述上杆机构相对于所述机身转动，以使得所述上杆机构旋转至与工作面平行。