一种适用于石油钻井管柱自动化处理装置及其工作方法

摘要

本发明涉及石油钻井设备技术领域，尤其涉及一种适用于石油钻井管柱自动化处理装置及其工作方法。该管柱自动化处理装置包括地面管柱自动化输送单元、地面到钻台的管柱自动化输送单元、钻台立柱自动化处理单元和立柱存储单元；上述单元配合实现钻井管柱的钻井作业自动化操作。该管柱自动化处理装置及工作方法较好的解决了现有管柱自动化处理手段在立柱建立和存放方面存在耗时耗力的问题。

权利要求

1.一种适用于石油钻井管柱自动化处理装置，其特征在于，包括配合设置的地面管柱自动化输送单元、地面到钻台的管柱自动化输送单元、钻台立柱自动化处理单元和立柱存储单元；上述单元配合实现钻井管柱的钻井作业自动化操作；

所述地面管柱自动化输送单元包括抓管机械臂(7)、滑轨(6)和管柱定位导轨(8)，抓管机械臂在滑轨上滑动抓取单根管柱并放至管柱定位导轨上；所述地面到钻台的管柱自动化输送单元包括动力鼠洞、管柱自动处理机构和翻管机械臂(9)；所述管柱定位导轨辅助单根管柱输送给往翻管机械臂；所述钻台立柱自动化处理单元包括顶驱系统(1)、铁钻工(3)、动力卡瓦(4)、管柱自动存取机械臂(12)；管柱自动存取机械臂(12)包括钻杆扶正机械臂(19)和管柱存放机械臂(33)；所述立柱存储单元包括旋转立根存放库(10)和管柱自动存取机械臂(12)；

所述抓管机械臂(7)采用液压驱动和电驱动的复合驱动形式在滑 轨(6)上水平滑动，以此实现对地面上单根管柱的抓取递送动作；所述管柱定位导轨(8)用于单根管柱的精确定位和自动输送往下一管柱处理单元；

所述翻管机械臂(9)用于抓取单根管柱；翻管机械臂(9)由机械臂臂身(16)和夹紧机构(17)组成，在夹紧机构(17)上设置第一线性移动装置(15A)；翻管机械臂用于夹取和递送管柱或建立好的立柱；在翻管机械臂下端布置有动力鼠洞和所述管柱自动处理机构，用以实现两管柱一立柱的自动线性移动和管柱拼接；

所述钻杆扶正机械臂(19)用于实现对立柱的抓取定位及扶正工作；所述管柱存放机械臂(33)具有固定的旋转角度和抓放动作，用以实现对立柱的自动装拆及存放工作；所述顶驱系统(1)为电驱动，顶驱系统将立柱上端与顶驱系统中心管连接，连接完成后顶驱系统通过伸缩和移动实现对单根管柱及立柱的取放、进钻、起钻动作；所述铁钻工(3)具有冲扣钳和旋扣钳，其与动力卡瓦(4)配合完成立柱的装卸动作；

所述旋转立根存放库(10)包括存管圆盘(27)和旋转支柱(26)，所述存管圆盘绕旋转支柱定角度转动；存管圆盘在旋转立根存放库径向上布置，存管圆盘包括绕旋转支柱均匀间隔设置的多个槽口，在各槽口底面上设置固定柱(29)；在存管圆盘底端设置固定装置，用于保证管柱存放后的稳定性；所述管柱自动存取机械臂(12)根据管柱存取位置自动调节机械臂伸展长度，与所述旋转立根存放库和管柱自动化处理装置配合，用以实现管柱的自动存取。

2.根据权利要求1所述的一种适用于石油钻井管柱自动化处理装置，其特征在于，所述管柱存放机械臂(33)包括可旋转机械臂滑轨(18)、滑动支承座(22)、摆臂(23)和旋转臂(24)，在旋转臂上设置钻杆夹爪(25)。

3.根据权利要求1所述的一种适用于石油钻井管柱自动化处理装置，其特征在于，所述钻杆扶正机械臂(19)用于将立柱下端扶正固定，所述顶驱系统(1)通过伸缩和上下移动移走；当需要立柱与顶驱系统中心管断开连接时，则反方向操作；

所述铁钻工(3)用于立柱下端与井内管柱串母接头对接；铁钻工的冲扣钳和自动卡瓦固定管柱串上端，铁钻工旋扣钳旋转使立柱下端公接头旋入井内管柱串母接头，完成装夹后铁钻工缩回至初始位置；拆卸动作与装夹动作相反。

4.根据权利要求1所述的一种适用于石油钻井管柱自动化处理装置，其特征在于，所述管柱自动处理机构包括支撑座(34)，在支撑座上设置第一锁紧装置(13)、第二锁紧装置(14)和夹紧机构(17)；在支撑座上的夹紧机构上设置第二线性移动装置(15B)；第一锁紧装置、第二锁紧装置分别夹紧两根管柱上、下端并使其牢固连接；第一、第二线性移动装置均为滚轮件，单根管柱或建立好的立柱在滚轮件的转动下沿轴向线性移动至合适位置。

5.一种采用权利要求1‑4任一所述的石油钻井管柱自动化处理装置的工作方法，其特征在于，包括由地面管柱自动化输送单元和地面到钻台的管柱自动化输送单元配合进行立柱建立和进钻的步骤、由钻台立柱自动化处理单元进行起钻及摆放立柱的步骤、以及由钻台立柱自动化处理单元和立柱存储单元配合进行管柱自动存取的步骤。

6.根据权利要求5所述的石油钻井管柱自动化处理装置的工作方法，其特征在于，所述立柱建立和进钻的步骤，具体操作为：

步骤一：抓管机械臂(7)在滑轨(6)上滑动抓取单根管柱并放到管柱定位导轨(8)上，管柱定位导轨(8)辅助管柱输送往翻管机械臂(9)；

步骤二：翻管机械臂(9)抓取第一根管柱并通过动力鼠洞输送往地下固定暂存，重复步骤一动作，继续抓取第二根管柱，管柱自动处理机构中的第一紧锁装置、第二锁紧装置将两根管柱连接建立单根立柱；

步骤三：管柱自动处理机构的线性移动装置将建立好的立柱沿轴向运动到相应位置，由钻杆扶正机械臂(19)固定扶正立柱，钻机的顶驱系统(1)放下，顶驱系统中心管与立柱上端连接，钻杆扶正机械臂(19)松开并缩回至初始位置；

步骤四：顶驱系统连接着已经建立好的立柱上升并缩回至井口中心，铁钻工(3)伸出将立柱下端与井内管柱串连接，铁钻工缩回至初始位置；顶驱系统不断下降进钻。

7.根据权利要求5所述的石油钻井管柱自动化处理装置的工作方法，其特征在于，所述起钻及摆放立柱的步骤，具体操作为：

步骤一：钻机顶驱系统(1)放下，顶驱系统中心管与井内管柱串连接，顶驱系统上升的同时，动力卡瓦(4)松开，直至第1个立柱最下端高出钻台面，动力卡瓦夹紧井内管柱串，铁钻工(3)伸出，从立柱下端卸开与井内管柱串的连接，铁钻工缩回至初始位置，顶驱系统将立柱下端完全从井内管柱串的母扣提出；

步骤二：管柱自动存取机械臂(12)从待命位置伸出至立柱停靠位置将管柱抓取并送往旋转立根存放库(10)储存；管柱被放入存管圆盘(27)的槽口中；

步骤三：一个存管圆盘(27)的槽口装满管柱后，存管圆盘转过一定角度，使得另一个空的槽口与机械臂对齐，重复上述步骤进行存管。

8.根据权利要求5所述的石油钻井管柱自动化处理装置的工作方法，其特征在于，所述管柱自动存取的步骤包括存管操作和取管操作；

存管操作方法包括：

步骤一：通过可旋转机械臂滑轨(18)、滑动支承座(22)、摆臂(23)和旋转臂(24)的配合，钻杆夹爪(25)对组装完毕的管柱进行定位和夹取；

步骤二：夹到立柱后，旋转臂转过一定角度，将立柱放入存管圆盘(27)的槽口中；

步骤三：一个槽口装满立柱后，存管圆盘(27)转过一定角度，使得另一个空的存管槽口与机械臂对齐，重复上述步骤进行存管；

取管操作方法包括：

步骤一：通过可旋转机械臂滑轨(18)、滑动支承座(22)、摆臂(23)和旋转臂(24)的配合，钻杆夹爪(25)对旋转立根存放库(10)钻杆管柱进行定位和夹取；

步骤二：夹到钻杆管柱后，滑动支承座(22)沿可旋转机械臂滑轨(18)向上提升，将钻杆管柱从旋转式立根存放库中取出；

步骤三：一个槽口中全部钻杆管柱取出后，存管圆盘(27)转过一定角度，使装有钻杆管柱的相邻存管圆盘(27)的槽口与机械臂对齐，重复上述动作取管。

说明书

一种适用于石油钻井管柱自动化处理装置及其工作方法

技术领域

[0001] 本发明涉及石油钻井设备技术领域，尤其涉及一种适用于石油钻井管柱自动化处理装置及其工作方法。

背景技术

[0002] 随着石油钻井技术的不断发展，其作业设备的安全、可靠和效率等问题受到人们越来越多的重视。石油钻井管柱自动化操作技术是当前石油装备发展的重要方向，也是未
来开展无人化钻井作业的重要关键技术之一。实现石油钻井管柱的自动化处理不仅能提升
作业效率、作业安全性和可靠性，而且可以大幅降低劳动强度，减少用工成本。

[0003] 目前，国外在石油钻井管柱自动化处理装置的研制上已经趋于成熟。我国自身工业基础薄弱，在自动化技术的应用方面起步较晚，就当前我国已经开发成功的陆地管柱自
动化钻机而言，我们也才刚刚起步，受设备自身工作性能和传统操作方式等多方面因素的
影响，仍需潜心研究并不断向前发展。国内也有多家企业和研究机构从事技术的研究，其
中，如宝鸡石油机械厂、中石化胜利钻井院和三一重工都相继推出了具有其自身特色的陆
地管柱自动化成套钻井装备。但现有的管柱自动化处理手段在立柱建立和存放方面存在耗
时耗力的问题。

发明内容

[0004] 本发明提供了一种适用于石油钻井管柱自动化处理装置及其工作方法，能够实现钻井管柱的自动化输送、处理、上下钻台、钻进、起钻、下钻、立根排放等钻井作业的自动化
操作，解决了现有技术中存在的立柱建立和存放耗时耗力问题。

[0005] 本发明所采用的技术方案之一是：

[0006] 一种适用于石油钻井管柱自动化处理装置，包括地面管柱自动化输送单元、地面到钻台的管柱自动化输送单元、钻台立柱自动化处理单元和立柱存储单元；上述单元配合
实现钻井管柱的钻井作业自动化操作。

[0007] 进一步地，所述地面管柱自动化输送单元包括抓管机械臂7、滑轨6和管柱定位导轨8，抓管机械臂在滑轨上滑动抓取单根管柱并放至管柱定位导轨上；所述地面到钻台的管
柱自动化输送单元包括动力鼠洞、管柱自动处理机构和翻管机械臂9；所述管柱定位导轨辅
助单根管柱输送给往翻管机械臂；所述钻台立柱自动化处理单元包括顶驱系统1、铁钻工3、
动力卡瓦4、管柱自动存取机械臂12；管柱自动存取机械臂12包括钻杆扶正机械臂19和管柱
存放机械臂33；所述立柱存储单元包括旋转立根存放库10和管柱自动存取机械臂12。

[0008] 进一步地，所述抓管机械臂7采用液压驱动和电驱动的复合驱动形式在导轨6上水平滑动，以此实现对地面上单根管柱的抓取递送动作；所述管柱定位导轨8用于单根管柱的
精确定位和自动输送往下一管柱处理单元；

[0009] 所述翻管机械臂9用于抓取单根管柱；翻管机械臂9由机械臂臂身16和夹紧机构17组成，在夹紧机构17上设置第一线性移动装置15A；翻管机械臂用于夹取和递送管柱或建立
好的立柱；在翻管机械臂下端布置有动力鼠洞和所述管柱自动处理机构，用以实现两管柱
一立柱的自动线性移动和管柱拼接；

[0010] 所述钻杆扶正机械臂19用于实现对立柱的抓取定位及扶正工作；所述管柱存放机械臂具有固定的旋转角度和抓放动作，用以实现对立柱的自动装拆及存放工作；所述顶驱
系统1为电驱动，顶驱系统将立柱上端与顶驱系统中心管连接，连接完成后顶驱系统通过伸
缩和移动实现对单根管柱及立柱的取放、进钻、起钻动作；所述铁钻工3具有冲扣钳和旋扣
钳，其与动力卡瓦4配合完成立柱的装卸动作；

[0011] 所述旋转立根存放库10包括存管圆盘27和旋转支柱26，所述存管圆盘绕旋转支柱定角度转动；存管圆盘在旋转立根存放库径向上布置，存管圆盘包括绕旋转支柱均匀间隔
设置的多个槽口，在各槽口底面上设置固定柱29，固定柱用于插放管柱；在存管圆盘底端设
置固定装置，用于保证管柱存放后的稳定性；所述管柱自动存取机械臂12根据管柱存取位
置自动调节机械臂伸展长度，与所述旋转立根存放库和管柱自动处理机构配合，用以实现
管柱的自动存取。

[0012] 进一步地，所述夹紧机构17经外部驱动件相对夹紧，实现对管柱或建立好的立柱的夹持。

[0013] 进一步地，所述固定装置包括底座和回转支承轴承，所述存管圆盘经回转支承轴承支撑设于所述底座上。

[0014] 进一步地，所述存管圆盘经步进电机驱动按一定时间和一定角度绕旋转支柱转动。

[0015] 进一步地，所述管柱存放机械臂包括可旋转机械臂滑轨18、滑动支承座22、摆臂23和旋转臂24，在旋转臂上设置钻杆夹爪25。

[0016] 进一步地，所述钻杆扶正机械臂19用于将立柱下端扶正固定，所述顶驱系统1通过伸缩和上下移动移走；当需要立柱与顶驱系统中心管断开连接时，则反方向操作；

[0017] 所述铁钻工3用于立柱下端与井内管柱串母接头对接；铁钻工的冲扣钳和自动卡瓦固定管柱串上端，铁钻工旋扣钳旋转使立柱下端公接头旋入井内管柱串母接头，完成装
夹后铁钻工缩回至初始位置；拆卸动作与装夹动作相反。

[0018] 进一步地，所述管柱自动处理机构包括支撑座34，在支撑座上设置第一锁紧装置13、第二锁紧装置14和夹紧机构17；在管柱自动处理机构的夹紧机构上设置第二线性移动
装置15B；第一锁紧装置、第二锁紧装置分别夹紧两根管柱上、下端并使其牢固连接；所述第
一、第二线性移动装置均为滚轮件，单根管柱或建立好的立柱在滚轮件的转动下沿轴向线
性移动至合适位置。

[0019] 进一步地，所述滚轮件由驱动件驱动转动，以此带动单根管柱或建立好的立柱移动。驱动滚轮件上的滚轮转动的驱动件可以为电机。

[0020] 本发明所采用的技术方案之二是：

[0021] 上述石油钻井管柱自动化处理装置的工作方法，包括由地面管柱自动化输送单元和地面到钻台的管柱自动化输送单元配合进行立柱建立和进钻的步骤、由钻台立柱自动化
处理单元进行起钻及摆放立柱的步骤、以及由钻台立柱自动化处理单元和立柱存储单元配
合进行管柱自动存取的步骤。

[0022] 进一步地，所述立柱建立和进钻的步骤，具体操作为：

[0023] 步骤一：抓管机械臂7在滑轨6上滑动抓取单根管柱并放到管柱定位导轨8上，管柱定位导轨8辅助管柱输送往翻管机械臂9；

[0024] 步骤二：翻管机械臂9抓取第一根管柱并通过动力鼠洞输送往地下固定暂存，重复步骤一动作，继续抓取第二根管柱，管柱自动处理机构中的第一、第二紧锁装置将两根管柱
连接建立单根立柱；

[0025] 步骤三：管柱自动处理机构中的线性移动装置15A、15B将建立好的立柱沿轴向运动到相应位置，由钻杆扶正机械臂19固定扶正立柱，钻机的顶驱系统放下，顶驱系统中心管
与立柱上端连接，钻杆扶正机械臂19松开并缩回至初始位置；

[0026] 步骤四：顶驱系统连接着已经建立好的立柱上升并缩回至井口中心，铁钻工3伸出将立柱下端与井内管柱串连接，铁钻工缩回至初始位置；顶驱系统不断下降进钻。

[0027] 进一步地，所述起钻及摆放立柱的步骤，具体操作为：

[0028] 步骤一：钻机顶驱系统1放下，顶驱系统中心管与井内管柱串连接，顶驱系统上升的同时，动力卡瓦4松开，直至第1个立柱最下端高出钻台面，动力卡瓦夹紧井内管柱串，铁
钻工3伸出，从立柱下端卸开与井内管柱串的连接，铁钻工缩回至初始位置，顶驱系统将立
柱下端完全从井内管柱串的母扣提出；

[0029] 步骤二：管柱自动存取机械臂12从待命位置伸出至立柱停靠位置将管柱抓取并送往旋转立根存放库10储存；管柱被放入存管圆盘27的槽口中；

[0030] 步骤三：一个存管圆盘27的槽口装满管柱后，存管圆盘转过一定角度，使得另一个空的槽口与机械臂对齐，重复上述步骤进行存管。

[0031] 进一步地，所述管柱自动存取的步骤包括存管操作和取管操作；

[0032] 存管操作方法包括：

[0033] 步骤一：通过可旋转机械臂滑轨18、滑动支承座22、摆臂23和旋转臂24的配合，钻杆夹爪25对组装完毕的管柱进行定位和夹取；

[0034] 步骤二：夹到立柱后，旋转臂转过一定角度，将立柱放入存管圆盘27的槽口中；

[0035] 步骤三：一个槽口装满立柱后，存管圆盘27转过一定角度，使得另一个空的存管槽口与机械臂对齐，重复上述步骤进行存管；

[0036] 取管操作方法包括：

[0037] 步骤一：通过可旋转机械臂滑轨18、滑动支承座22、摆臂23和旋转臂24的配合，钻杆夹爪25对旋转立根存放库10钻杆管柱进行定位和夹取；

[0038] 步骤二：夹到钻杆管柱后，滑动支承座22沿可旋转机械臂滑轨18向上提升，将钻杆管柱从旋转式立根存放库中取出；

[0039] 步骤三：一个槽口中全部钻杆管柱取出后，存管圆盘27转过一定角度，使装有钻杆管柱的相邻存管圆盘的槽口与机械臂对齐，重复上述动作取管。

[0040] 本发明的有益效果：

[0041] (1)钻井过程无需在钻台面上建立立柱，所有立柱建立工作均在地面上进行，翻管机械臂配合线性移动装置和锁紧装置可高效快速的从地面管柱输送系统中抓取单根管，省
去了动力猫道装置，大大简化了从地面到钻台的管柱输送流程，快速完成立柱建立工作。

[0042] (2)钻机不再配置二层台，钻台面结构简单，钻井过程和立根排放过程相互独立，可以同时进行，钻井周期大大缩短、钻井费用降低、工人劳动强度降低。

[0043] (3)管柱自动存取机械臂中的管柱存放机械臂利用可旋转机械臂滑轨、滑动支撑座、摆臂、旋转臂和钻杆夹爪的配合，利用电液伺服的驱动，能够实现对于管柱的自动抓取
和存放，且抓取和存放的角度可以由可旋转机械臂滑轨、滑动支承座、摆臂和旋转臂进行多
角度和多方向的调整，提高管柱抓取和存放效率。管柱自动存取机械臂中的钻杆扶正机械
臂利用机械臂和底座转盘的配合，利用电机的驱动，能够实现对于钻杆的固定和扶正，保障
钻杆在连接过程的稳定性和准确度。

[0044] (4)旋转式立根存放库利用步进电机、回转支承轴承和圆盘的配合，利用步进电机的驱动，能够实现存管圆盘和固定支承圆盘的旋转，从而使得存管圆盘一个槽口储存一定
数量的管道以后，存管圆盘可以转过一个角度，利用下一个槽口来继续存放管道，通过这种
方式，可以减少管道储存的占地空间，并且减少管柱自动存取机械臂的运动路程。

附图说明

[0045] 图1为本发明整体结构示意图；

[0046] 图2为本发明的抓管机械臂动作示意图；

[0047] 图3为本发明的翻管机械臂结构示意图；

[0048] 图4为本发明的管柱自动存取机械臂结构示意图；

[0049] 图5本发明的旋转式立根存放库结构示意图；

[0050] 图6为图5中存管圆盘结构示意图；

[0051] 图7为本发明的立根存取动作示意图一；

[0052] 图8为本发明的立根存取动作示意图二。

[0053] 其中，1顶驱系统，2可伸缩井架，3铁钻工，4动力卡瓦，5钻井台，6滑轨，7抓管机械臂，8管柱定位导轨，9翻管机械臂，10旋转式立根存放库，11立柱，12管柱自动存取机械臂，
13第一锁紧装置，14第二锁紧装置，15A第一线性移动转置，15B第二线性移动转置，16翻转
机械臂机身，17加紧机构，18机械臂滑轨，19钻杆扶正机械臂，20底座转盘，21支承架，22滑
动支承座，23摆臂，24旋转臂，25钻杆夹爪，26旋转支柱，27存管圆盘，28支架，29固定柱，30
固定支承圆盘，31底座，32回转支承轴承、33管柱存放机械臂、34支撑座。

具体实施方式

[0054] 为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，结合附图,对本发明进行详细阐述。

[0055] 如图1‑8所示,该石油钻井管柱自动化处理装置包括配合设置的地面管柱自动化输送单元、地面到钻台的管柱自动化输送单元、钻台立柱自动化处理单元和立柱存储单元；
上述单元配合实现钻井管柱的钻井作业自动化操作。

[0056] 上述地面管柱自动化输送单元包括抓管机械臂7、滑轨6和管柱定位导轨8，抓管机械臂在滑轨上滑动抓取单根管柱并放至管柱定位导轨8上。上述抓管机械臂7采用液压驱动
和电驱动的复合驱动形式在导轨6上水平滑动，以此实现对地面上单根管柱的抓取递送动
作；所述管柱定位导轨8用于单根管柱的精确定位和辅助单根管柱输送往下一管柱处理单
元‑‑翻管机械臂9；管柱定位导轨为沿直线间隔设置的三段导轨。

[0057] 地面到钻台的管柱自动化输送单元包括动力鼠洞、管柱自动处理机构及翻管机械臂9。所述翻管机械臂9用于抓取单根管柱并经翻转动作使单根管柱直立。翻管机械臂9由机
械臂臂身16和设于机械臂臂身上部的夹紧机构17组成，在机械臂臂身上部的夹紧机构17上
设置第一线性移动装置15A；夹紧机构17夹取单根管柱后，翻管机械臂的臂身竖直翻转后，
实现递送单根管柱或建立好的立柱。在翻管机械臂9下端布置有动力鼠洞和前述管柱自动
处理机构，用以实现两管柱一立柱的自动线性移动和管柱拼接。管柱自动处理机构包括支
撑座34，支撑座固定于翻管机械臂9的下部内侧，在支撑座上设置第一锁紧装置13、第二锁
紧装置14和另一夹紧机构，在位于支撑座上的夹紧机构上设置第二线性移动装置15B；第
一、第二锁紧装置13分别夹紧两根管柱上、下端并使其牢固连接，第一、第二线性移动装置
均为滚轮件，单根管柱或建立好的立柱在滚轮件的转动下沿轴向线性移动至合适位置。

[0058] 钻台立柱自动化处理单元包括安装于可伸缩井架2上的顶驱系统1、铁钻工3、动力卡瓦4，及管柱自动存取机械臂12；在管柱自动存取机械臂12上设置钻杆扶正机械臂19和管
柱存放机械臂33。钻杆扶正机械臂19用于实现对立柱的抓取定位及扶正工作。钻杆扶正机
械臂19固定于井架一侧的支座上并在支座上实现周向转动与水平伸缩；钻杆扶正机械臂经
缸体驱动水平伸缩；钻杆扶正机械臂的抓取动作在机械臂的抓手到达管柱外侧后、通过控
制系统控制抓取。所述管柱自动存取机械臂12具有固定的周向旋转角度和抓放动作，用以
实现对立柱的自动装拆及存放工作；具体的，管柱存放机械臂与钻杆扶正机械臂19设于同
一井架上，管柱自动存取机械臂12包括可旋转机械臂滑轨18、滑动支承座22、摆臂23和旋转
臂24，在旋转臂上设置钻杆夹爪25，经控制系统控制对钻杆立柱进行抓取存取放于旋转式
立根存放库10内。

[0059] 上述顶驱系统1为电驱动，顶驱系统向下运动将立柱上端与顶驱系统中心管连接，连接完成后顶驱系统通过伸缩和上下移动实现对单根管柱及立柱的取放、进钻、起钻动作；
所述铁钻工3具有冲扣钳和旋扣钳，其与动力卡瓦4配合完成立柱的装卸动作。上述钻杆扶
正机械臂19用于将立柱下端扶正固定，所述顶驱系统1通过伸缩和上、下移动移走；当需要
立柱与顶驱系统中心管断开连接时，则反方向操作；上述铁钻工3用于立柱下端与井内管柱
串母接头对接；铁钻工的冲扣钳和自动卡瓦固定管柱串上端，铁钻工旋扣钳旋转使立柱下
端公接头旋入井内管柱串母接头，完成装夹后铁钻工缩回至初始位置；拆卸动作与装夹动
作相反。

[0060] 上述立柱存储单元包括旋转立根存放库10和管柱自动存取机械臂12。旋转立根存放库10包括存管圆盘27和旋转支柱26，所述存管圆盘绕旋转支柱定角度转动；存管圆盘在
旋转立根存放库径向上布置，存管圆盘包括绕旋转支柱均匀间隔设置的多个槽口，在各槽
口底面的存管圆盘上设置固定柱29，固定柱用于插放管柱；在存管圆盘底端设置固定装置，
用于保证管柱存放后的稳定性。所述固定装置包括底座31和回转支承轴承32，所述存管圆
盘27支撑设于所述底座31上。具体的，所述存管圆盘包括上、下相对设置的两个圆盘，在两
圆盘之间固连支架，支架绕圆盘周向方向分隔为多个均匀的所述槽口，各槽口底端的圆盘
面上设置所述固定柱29。存管圆盘的底端与所述支承轴承固连。所述存管圆盘随支承轴承
经步进电机驱动按一定时间和一定角度绕旋转支柱26转动。

[0061] 上述管柱自动存取机械臂12根据管柱存取位置自动调节机械臂伸展长度，与上述旋转立根存放库和管柱自动处理机构配合，用以实现管柱的自动存取。

[0062] 采用上述的石油钻井管柱自动化处理装置的工作方法，包括：

[0063] 一、立柱的建立和进钻的整个过程：地面管柱自动化输送单元的抓管机械臂7在滑轨6上灵活滑动抓取单根管柱、并放至管柱定位导轨8上，管柱定位导轨8辅助管柱输送往翻
管机械臂9。翻管机械臂9抓取第一根管柱，抓取后翻转至竖直状态、并将第一根管柱输送到
小鼠洞固定暂存，重复上述动作继续抓取第二根管柱；管柱自动处理机构将两根管柱连接
建立单根立柱。翻管机械臂9使建立好的立柱沿轴向运动到相应位置，由钻杆扶正机械臂19
转动靠近立柱并固定扶正立柱，钻机的顶驱系统1放下，顶驱系统1的中心管与立柱上端连
接，钻杆扶正机械臂19松开并缩回至初始位置。顶驱系统1上升并缩回至井口中心，铁钻工3
伸出将立柱下端与井内管柱串连接，铁钻工3缩回至初始位置。顶驱系统1不断下降进钻。

[0064] 二、起钻及摆放立柱过程：钻机顶驱系统1放下，顶驱系统的中心管与井内管柱串连接，钻机顶驱系统1上升的同时，动力卡瓦4松开，直至第1个立柱最下端高出钻台面，动力
卡瓦4夹紧井内管柱串，铁钻工3伸出从立柱下端卸开与井内管柱串的连接，铁钻工3缩回至
初始位置，顶驱系统1将立柱下端完全从井内管柱串的母扣提出。管柱自动存放机械臂12从
待命位置伸出至立柱停靠位置将立柱抓取并送往旋转式立根存放库10，每当存管圆盘27有
一个槽口被填满，则旋转一定的固定角度，继续适用下一个槽口。

[0065] 三、存管过程：钻杆夹爪25在电液伺服的驱动下，通过可旋转机械臂滑轨18、滑动支承座22、摆臂23和旋转臂24的配合，对来自地面的钻杆管柱进行定位和夹取。运行过程
中，旋转臂24保持竖直状态，通过机械臂滑轨18旋转到钻杆管柱位置，摆臂23调整距离，使
钻杆夹爪25可以准确夹到钻杆管柱，钻杆夹爪到达钻杆管柱位置后，控制系统控制夹爪25
张开，对钻杆进行夹紧固定，钻杆夹爪25夹到钻杆管柱后，滑动支承座22沿机械臂滑轨向上
提升，待钻杆管柱全部离开地面以后，机械臂滑轨18转过一定角度，使得被夹起的钻杆管柱
与旋转式立根存放库10上方存管圆盘27的存管槽口对齐，通过摆臂23将钻杆放入存管圆盘
27的槽口中，同时滑动支承块22沿机械臂滑轨18和摆臂23协调下落，将钻杆底部对准旋转
式立根存放库10下方的固定支承圆盘30上的固定柱29，并将钻杆插入固定柱29中，完成对
于钻杆的放置。通过调整摆臂23角度实现对于存管槽口内不同放置距离的钻杆的定位和放
置。

[0066] 旋转式立根存放库10由步进电机驱动，通过回转支承轴承32带动上方固定支承圆盘30和存管圆盘27的旋转。在管柱自动存取机械臂12中的钻杆夹爪25将一定数量的钻杆放
入存管槽口并插入固定柱29以后，固定支承圆盘30和存管圆盘27转过一定角度，使得另一
个空的存管槽口与机械臂对齐，使得钻杆继续存放。

[0067] 四、取管过程：钻杆夹爪25在电液伺服的驱动下，通过可旋转机械臂滑轨18、滑动支承座22、摆臂23和旋转臂24的配合，对旋转式立根存放库钻杆管柱进行定位和夹取。运行
过程中，旋转臂24保持竖直状态，通过机械臂滑轨18旋转到与存管槽口对齐位置，摆臂23调
整距离，使钻杆夹爪25可以准确夹到钻杆管柱，钻杆夹爪25到达钻杆管柱位置后，夹爪25张
开，对钻杆进行夹紧固定，钻杆夹爪25夹到钻杆立柱后，滑动支承块22沿机械臂滑轨18向上
提升，待钻杆立柱全部离开固定支承圆盘30上的固定柱29后，机械臂滑轨18转过一定角度，
通过摆臂23调整距离，使得被夹起的钻杆立柱与小鼠洞洞口对齐，滑动支承块22沿机械臂
滑轨18下落，将钻杆插入小鼠洞中暂存，钻杆扶正机械臂19扶正并定位所取立柱，顶驱系统
1沿导轨移动并使顶驱中心管与立柱上端连接固定，顶驱系统再次沿导轨移动并将所取立
柱放入钻井口内。

[0068] 旋转式立根存放库10在步进电机的驱动下，通过回转支承轴承32带动上方固定支承圆盘30和存管圆盘27的旋转。在管柱自动存取机械臂12中的钻杆夹爪25将一个存管槽口
中全部钻杆取出后，固定支承圆盘30和存管圆盘27转过一定角度，使得装有钻杆的存管槽
口与机械臂对齐，使得钻杆继续取下。

[0069] 上述具体实施方式不能作为对本发明保护范围的限制，对于本技术领域的技术人员来说，对本发明实施方式所做出的任何替代改进或变换均落在本发明的保护范围内。

[0070] 本发明未详述之处，均为本技术领域技术人员的公知技术。