專利名稱：用于引導管子的裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于引導管子的裝置和方法，具體但不排他地，涉及用于引導管子以方便將管子連接到井筒中的管柱的裝置和方法。該裝置的一種具體但不排他的用途是，將管子從離線位置移動到鉆井中心，由此將管子引導進入連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)或連續(xù)循環(huán)同步鉆探系統(tǒng)。
背景技術：
在建造油井或氣井的過程中，鉆鑿出井孔。鉆頭布置在鉆柱的端部并發(fā)生旋轉以鉆出井孔。通常稱之為“鉆探泥漿”的鉆井液通過鉆柱泵送至鉆頭以便對鉆頭進行潤滑。鉆探泥漿還用于將鉆頭所產生的鉆屑和其他固體通過環(huán)形通道輸送到地面，該環(huán)形通道形成在鉆柱與井孔和/或襯套井孔的套管之間。
按照鉆鑿井孔的一種現(xiàn)有技術方法，使用了與鉆柱的頂部接頭相連的方鉆管來旋轉鉆柱。處于鉆臺處的轉盤旋轉方鉆管，與此同時方鉆管能夠豎直地移動通過鉆臺處的轉盤內的傳動襯套。按照另外一種現(xiàn)有技術方法，頂部驅動鉆探單元懸掛在井架夾具中并旋轉鉆柱，此時未使用方鉆管。
重要的是，能夠相應于地層中的壓力來控制井孔中的壓力。在某些情況下，鉆探人員可能認為欠平衡鉆井(under-balanced drilling)是必需的，此時對曝露于井筒的地層所施加的壓力要低于該地層的內部流體壓力。由此，如果存在足夠的孔隙率和滲透性，則地層流體進入到井筒中。隨著欠平衡狀態(tài)的趨近，鉆探速度通常會提高。然而，鉆探人員可能認為超平衡鉆井(over-balanced drilling)是必需的，此時井筒中的壓力值超出地層中的流體壓力。該過高壓力對于防止儲層流體(油、氣或水)進入到井筒中是必需的。但是，由于有效加固了井筒附近的巖石并限制了對鉆頭下的鉆屑的清除，過度的超平衡會顯著放慢鉆探過程。此外，與低劣鉆探泥漿性能相伴隨的高的超平衡壓力會導致差壓卡鉆的問題。由于儲層壓力在不同地層之間變化，而鉆探泥漿的密度相對一致，所以超平衡也在不同區(qū)域之間發(fā)生改變。通過使用增重劑來增加或減小鉆探泥漿的密度由此改變鉆探泥漿的密度，鉆探人員能夠將鉆井條件從欠平衡改變成超平衡。
如果鉆井中的壓力并未得到適當控制，則鉆探速度不會達到最大化。在最壞的情況下，鉆井可能由于井孔中缺乏壓力而坍陷。這在鉆探經過特殊類型的地層時更有可能發(fā)生。
過去，鉆井液的循環(huán)在單節(jié)鉆管或鉆管組的組裝或拆卸期間被停止。使用注入閥或泥漿護罩閥，以便在組裝或拆卸過程期間維持鉆柱中的壓力。然而，必須每次進行閥的連接和斷開。因此循環(huán)是不連續(xù)的，盡管壓力得以充分維持在鉆井中，但是壓力改變的脈沖是顯著的。
通常優(yōu)選將鉆屑以懸浮形式保持在鉆井液中，以幫助將它們從鉆頭上清除，并防止它們重新落回到井筒中。停止鉆探泥漿的循環(huán)會導致鉆屑下沉。為了克服該問題，在許多現(xiàn)有技術系統(tǒng)中嘗試使用額外的流體充填，其通常增加流體的粘度。這樣的結果是，在地面需要更大的泵送功率來移動更稠的流體；但這種泵送力的增加會導致井下的過壓力，由此導致地層損壞或井下流體的流失。
已經發(fā)展出一種連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)并公開在PCT申請WO98/16716中，該循環(huán)系統(tǒng)允許鉆探泥漿的循環(huán)在管子相對于管柱的整個組裝及拆卸期間得到執(zhí)行。WO98/16716尤其披露了使用一組上部封井器(pipe ram)來應用和密封待連接至管柱的管子，使用一組下部封井器來應用和密封鉆井中處于管柱頂部的管子以在其之間產生腔室，以及使用全封閉式封井器來密封待連接管子的尾銷與管柱頂部管子的管套之間的腔室，從而形成上部和下部腔室。在位于全封閉式封井器組與第二組封井器之間的下部腔室中，布置有鉆探泥漿入口。此外，鉆探泥漿供應器與待連接管子的頂端相連由此形成連接，下部封井器獲得啟動并密封井筒中管柱的頂端，而全封閉式封井器獲得啟動以在鉆柱頂部周圍形成下部腔室。鉆探泥漿被允許流入到下部腔室中并循環(huán)進入鉆柱的頂部。鉆探泥漿穿過鉆柱流到鉆頭，然后返回經過由鉆柱和井孔所形成的環(huán)形通道。鉆探泥漿由泥漿振動篩、離心機等進行處理以清除掉切屑，如果需要添加附加劑，然后鉆探泥漿循環(huán)到下部腔室中。與此同時，管子或管子組被降低到連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的頂部。上部封井器獲得啟動以對管子進行密封。管子或管子組的上端與鉆探泥漿的供應器相連，而鉆探泥漿由于閥的作用流入到上部腔室中。此時上部和下部腔室中鉆探泥漿的壓力基本相等。全封閉式封井器被打開，管子或管子組的陽螺紋端插入到管柱頂端的管套中并發(fā)生旋轉和扭轉由此形成連接?？梢詫η皇抑械你@探泥漿進行排放并將上部和下部封井器打開，由此允許具有附加管子或管子組的管柱降低到鉆井中。這樣，在形成和斷開連接的同時，循環(huán)得以連續(xù)通過管柱和環(huán)形通道。
已經對上述連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)作出各種改進，包括在鉆探的同時執(zhí)行連續(xù)循環(huán)。這樣允許在將管子與管柱相連或從其拆卸的同時繼續(xù)進行連續(xù)鉆探。這對使用鉆管或套管進行鉆探的情況是有益的。
升降器在這些操作中用于選擇性支撐管子并幫助將管狀元件從一個位置移動到另外一個位置。
US6,412,554A中提出了幾種現(xiàn)有技術的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)，它們嘗試在鉆探操作期間執(zhí)行連續(xù)的流體循環(huán)，但在這些系統(tǒng)中，鉆柱的旋轉被停止，然后重新啟動，以便形成和斷開管狀元件的連接。這樣造成了鉆探時間的顯著損失。此外，鉆柱的啟動旋轉會導致對鉆柱超轉矩部分的損壞。
2003年12月4日公布的美國已公開專利申請No.2003-0221519(USSN 382080，提交日2003年3月5日)披露了一種裝置，其允許管狀元件的部分在鉆探操作期間與管柱相連或從其斷開。該裝置還允許鉆管的部分在連接或斷開過程期間發(fā)生旋轉及軸向移動。該裝置進一步允許流體在組裝或拆卸過程期間連續(xù)循環(huán)至管柱并經過管柱。上述裝置描述了一種包括頂部驅動機構、旋轉驅動機構和流體循環(huán)裝置的鉆機組件。管柱的旋轉及軸向移動由頂部驅動裝置和旋轉驅動裝置交替地提供。此外，一旦在與頂部驅動機構相連的上部管狀元件與管柱之間形成連接，流入管柱的連續(xù)流體被提供經過循環(huán)裝置，然后交替經過管狀元件的部分。該申請還披露了一種在連續(xù)鉆探的同時將上部管狀元件連接至管柱頂部管子的方法，該方法包括下列步驟操作旋轉裝置以提供井筒中管柱的旋轉及軸向移動；將上部管狀元件定位在管柱的頂部管狀元件上方，該上部管狀元件被構造為具有底部螺紋端與頂部管子的頂部螺紋端相連；改變上部管狀元件與頂部管子之間的相對速度以將上部管狀元件的底部螺紋端與頂部管子的頂部螺紋端螺紋相配合，這樣上部管狀元件成為管柱的一部分；釋放管柱與旋轉裝置的接合；以及操作頂部驅動裝置，由此提供井筒中管柱的旋轉及軸向移動。
在使用頂部驅動裝置進行鉆探的一些現(xiàn)有技術系統(tǒng)中，鉆管組(譬如，包括三個互連鉆管段、90英尺的組)與保護接頭螺紋相連并處于接頭之下。保護接頭與頂部驅動鉆探單元的一部分相連，一旦鉆探向下進行到管組長度的程度，保護接頭進入到連續(xù)流體循環(huán)系統(tǒng)的腔室并定位于其中。為了通過這種現(xiàn)有技術系統(tǒng)來增加新的管組，在流體循環(huán)系統(tǒng)內部斷開連接，頂部驅動鉆探單元獲得提升，與此同時保護接頭被提升并從連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的頂部退出。然后，為了連接新的鉆管組，頂部驅動鉆探單元的一部分(譬如，升降器)按照某些現(xiàn)有技術方式從井筒移走。升降器通常與頂部驅動鉆探單元相關聯(lián)，但這種升降器往往不能用于接納和支撐新的管組，原因是保護接頭干擾了此操作。
在許多情況下，隨著頂部驅動鉆探單元的提升，期望倒擴孔(backream)來循環(huán)流體，并將管柱隨著頂部驅動鉆探單元的提升而轉出井孔，由此譬如使得井孔變光滑并防止形成鍵槽。
上述鉆探系統(tǒng)的另外一個問題在于，期望將各個新的鉆管組向下鉆得盡可能地深；但懸掛在頂部驅動鉆探單元下面的零件和裝置(譬如，升降器)防止了頂部驅動鉆探單元的進一步向下行進，除非它們移動偏離于井筒的中心線，以致在頂部驅動鉆探單元的保護接頭進入連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(并且頂部驅動接近于連續(xù)循環(huán)系統(tǒng))時頂部驅動鉆探單元能夠繼續(xù)旋轉鉆柱。通常，升降器等沿著一個方向移動偏離于井筒的中心線(現(xiàn)有技術中使用了僅僅開口于一側的升降器)。

發(fā)明內容
按照本發(fā)明，提供了一種用于引導管子的裝置，該裝置包括基座、從所述基座延伸的第一可延伸元件、可樞軸轉動地固定于所述第一可延伸元件的第二可延伸元件，以及與所述第一可延伸元件相連接的管子支架。
這種用于引導管子的裝置還適于引導可結合在管柱中的工具。管柱可以包括鉆管、套管、襯套或其他形式的管狀元件。
所述可延伸元件優(yōu)選是活塞和液壓缸，并且通過液壓流體源而被液壓地操作。作為選擇，該可延伸元件是氣動的，更優(yōu)選是電動的滑板。所述第一可延伸元件優(yōu)選在樞軸上與所述基座相固定。有利的是，該樞軸允許在一個平面中運動。有利的是，所述第二可延伸元件包括禁止所述管子支架的最大移動的止動器。該止動器優(yōu)選處于這樣一個位置上當碰撞到止動器時，管子支架處于鉆井中心的上方，以致管子支架中的管子或管子組與鉆井中心基本成一條直線。有利的是，所述管子支架可樞軸轉動地連接于第一可延伸元件。該管子支架優(yōu)選可樞軸轉動地連接于第一可延伸元件，以致在第一和第二可延伸元件的延伸或收縮期間管子支架裝置維持為基本水平的方位。有利的是，管子支架是自由浮動的。
所述管子支架優(yōu)選選自于包括開口式管鉗、閉合式管鉗和夾持器的組合。有利的是，上述裝置還包括安裝架，下部延伸元件的第二端可樞軸轉動地連接于安裝架。該安裝架優(yōu)選與基座相連接。
所述基座優(yōu)選至少是連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的一部分。優(yōu)選是連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的頂面。有利的是，所述連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)具備與井筒的鉆井中心相對準的中心，并且管子支架對準于該系統(tǒng)中心。上述裝置優(yōu)選具備管子引導中心，管子支架可移動至該管子引導中心及從其移開，并且其中管子支架可移動到這樣一個位置，在此位置管子支架并不處于連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)之上。
所述管子支架優(yōu)選具有用于容納管子的開口。有利的是，管子支架具有至少一個活動臂，其用于可釋放地保持管子。有利的是，上述裝置進一步包括至少一個彈簧，其與所述至少一個臂相連用于將該至少一個臂推入到所述開口中，優(yōu)選地，彼此相對以便可釋放地握持管子或管子組。有利的是，上述裝置進一步包括調節(jié)裝置，其與所述至少一個臂相連用于調節(jié)該至少一個臂的位置。所述調節(jié)裝置優(yōu)選包括螺母和螺栓裝置。有利的是，所述至少一個臂是兩個臂，各個臂可關于銷旋轉，其中各個臂的一端凸入到所述開口中，而另外一端可樞軸轉動地連接于彈簧，桿穿過各個彈簧，并與彈簧樞軸互聯(lián)且聯(lián)接于可調節(jié)軸。各個彈簧對于其相應的臂起著減震器的作用。所述至少一個臂優(yōu)選可移動至這樣一個位置，以致所述臂的任何部分都不凸入到所述開口中。
有利的是，上述裝置進一步包括兩個第一可延伸元件和兩個第二可延伸元件，所述管子支架布置在兩個第一可延伸元件之間并優(yōu)選與其樞軸轉動地連接。
本發(fā)明還提出了一種包括本發(fā)明裝置的鉆井設備，該鉆井設備包括位于鉆井中心上方的井架和平臺，所述裝置被布置為第一可延伸元件位于鉆井中心周圍。
本發(fā)明還提出一種具有上部密封件和下部密封件的連續(xù)循環(huán)設備，所述上部密封件用于密封待組裝至井筒中的管柱上或從其拆卸的管子，所述下部密封件用于密封管柱以便在組裝或拆卸期間允許鉆探泥漿連續(xù)循環(huán)經過鉆柱，其特征在于，該連續(xù)循環(huán)設備包括用于將管子引導進入上部密封件的裝置。
本發(fā)明還提出一種用于鉆鑿井筒的方法，該方法包括下列步驟通過將從基座延伸的第一可延伸元件、和可樞軸轉動地固定于第一可延伸元件的第二可延伸元件發(fā)生延伸，由此使得管子支架移向待連接至鉆柱的管子或管子組，從而將管子或管子組引導進入連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)中；所述管子支架抓住管子、將管子牽引到連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)上方并將管子降入到連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)中。


為了更好地理解本發(fā)明，現(xiàn)在參看作為示例的附圖，其中圖1A顯示了現(xiàn)有技術的鉆井設備的一部分的正視圖，其結合有頂部驅動；圖1B顯示了沿著圖1A中線1B-1B所得的側視圖，并顯示了頂部驅動擺向小鼠洞上方的位置以便拾取管子組；圖1C顯示了圖1A中所示鉆井設備的一部分的片斷正視圖，并顯示了頂部驅動擺向其縮回位置，由此允許提升和降低頂部驅動以便將管子組下入到鉆井中或是將管柱拉出鉆井；圖2是鉆井設備的一部分的透視圖，該鉆井設備包括頂部驅動和連續(xù)循環(huán)裝置；圖3A是圖2中所示鉆井設備的一部分的側視圖，并顯示了頂部驅動的一部分、從頂部驅動的轉子向下延伸的保護接頭、鉤環(huán)、從鉤環(huán)下垂的連接工具以及懸掛在活動臂上的升降器，所述臂處于水平位置，這樣升降器與頂部驅動的轉子和鉆管組頂部不成一條直線；圖3B是圖3A中所示連接工具、升降器和鉆管組的頂視圖；圖4是圖3A中所示鉆井設備的一部分的正視圖，其中鉆管組接合在升降器中、而活動臂移動至升降器與保護接頭成一條直線的豎直位置；圖5是圖3A中所示鉆井設備的一部分的正視圖，其中鉆管組被組裝至保護接頭；圖6A、6B和6C是結合有按照本發(fā)明的裝置、處于三個操作階段的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)的側視圖；圖7是鉆井設備的一部分的側視圖，該鉆井設備將圖3中所示的頂部驅動和連接工具與圖6A中所示的連續(xù)循環(huán)工具結合在一起；圖8A是用于引導管子的裝置的透視圖；圖8B是圖8A中所示用于引導管子的裝置的分解圖；圖8C是按照本發(fā)明第二實施例、用于引導管子的裝置的透視圖；圖9A是圖8A中所示裝置的管子支架的透視圖；
圖9B是圖9A中所示管子支架的局部剖開透視圖；圖9C是圖9A中所示管子支架的頂視圖；圖9D是圖9A中管子支架的部分的透視圖；以及圖9E是圖9D中所示部分的分解圖。
具體實施例方式
圖1A至1C顯示了US4,458,768(其在此結合以便參考)所披露的現(xiàn)有技術鉆井設備和頂部驅動系統(tǒng)10。
圖1A至1C中所示的現(xiàn)有技術鉆井設備10包括布置在井筒12之上的井架11，井筒12由布置在鉆柱13末端的鉆頭(未顯示)鉆出，鉆柱13通過常規(guī)手段形成為以端對端方式通過螺紋連接件14連接在一起的一系列鉆管組。鉆柱13通過與其上端相連的頂部驅動鉆探電機16關于它的縱軸線15而旋轉。鉆柱和頂部驅動鉆探電機16由升降裝置17所支撐并適于上下發(fā)生移動，所述升降裝置17包括定滑輪18、動滑輪19、從定滑輪18支承動滑輪19的纜繩20，以及用于卷進或卷出纜繩20以便提升或降低動滑輪的動力傳動絞車。吊鉤21從動滑輪19下垂，吊鉤21的下面懸掛有頂部驅動鉆探電機16，并具有適于打開以便連接和斷開頂部驅動鉆探電機16的閘門121。頂部驅動鉆探電機16和掛鉤21在其上下移動期間被兩個平行的細長導軌22和23所引導，這些導軌對托架24和托架25進行接合和引導，托架24上布置有頂部驅動鉆探電機16而托架25上布置有動滑輪。
兩個導軌22和23優(yōu)選是從各個導軌的上末端延續(xù)到其下末端的H型部件。導軌22和23具有上部區(qū)域，該上部區(qū)域從井架11的上端延伸到中間井架位置，并與井架11剛性相連以便保持為縱向筆直延伸和彼此平行且平行于鉆井軸線15的狀態(tài)。在中間井架位置之下，兩個導軌22和23具有彼此平行延伸的第二部分或區(qū)域，其持續(xù)向下到達位置27，并由兩個樞軸連接裝置所固定以便相對于上部區(qū)域且關于水平軸線發(fā)生擺動。使用傾斜的小鼠洞30(圖1B)。
導軌22和23具有最下面的第三區(qū)域，該第三區(qū)域由第二區(qū)域所攜帶以便在豎直位置與傾斜位置之間隨其擺動，同時被連接裝置31和32所固定以便關于兩個軸線33和34發(fā)生水平擺動，軸線33和34彼此平行且平行于第二區(qū)域的縱軸線。
兩個樞軸連接裝置31和32包括與第二區(qū)域剛性相連的兩個平行固定管子或管路37和38。導軌的兩個第二區(qū)域適于通過活塞和液壓缸機構45在豎直位置與傾斜位置之間被動力驅動，該活塞和液壓缸機構的液壓缸與井架的水平延伸固定部分相連，而它的活塞桿反作用于樞軸連接裝置31的管路37。
與動滑輪19相連的托架25包括兩個框架56和57，所述框架分別部分地關于導軌22、23延伸并可旋轉地支撐輥58，所述輥58以下列方式容納在并接合在不同導軌區(qū)域的前后凸緣59之間將托架25有效定位為防止相對于導軌結構的縱軸線作橫向移動，并引導托架僅僅相對于導軌縱向地移動。
頂部驅動鉆探電機16被布置在托架結構24上，動力單元61用于旋轉鉆柱，而常規(guī)的旋轉接頭62用于將鉆井液輸送給鉆柱。
鉆探組件的動力單元61包括具有下部錐形外螺紋的管子部分，該外螺紋構成銷并可與鉆柱13的上端進行螺紋連接以對其進行驅動。在許多情況下，常規(guī)的轉換接頭72和較短的“短管”73在動力單元62之下直接連接到鉆柱中。管子部分70在它的上端具有錐形內螺紋，該內螺紋可與旋轉接頭62的旋轉桿75相連。桿75與鉆柱一起相對于旋轉接頭62的主體76轉動，該主體76由與動滑輪19的鉤21相咬合的掛鉤77不可旋轉地進行支承。鉆井液通過柔性入口管78輸送到旋轉接頭，該入口管78的第二端在大大高于鉆臺的上升位置79處與井架相連。為了驅動管狀軸70，動力單元61包括有電動機。
圖2顯示了頂部驅動鉆探裝置100，其包括懸掛在井架112(與圖1A中的鉆機和井架相類似，具有如圖1A中所示的多個部件等)中的頂部驅動鉆探單元120。連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(CCS)130布置在鉆臺114上。
CCS130可以是任何已知的連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)，在一個方面，它是可從Varco國際公司購買到的CCS系統(tǒng)。作為選擇，該CCS可以是圖6A至圖7中所示的類型。
升降器140懸掛在頂部驅動鉆探單元120下面?？蛇x擇地，連接工具裝置200懸掛在頂部驅動120之下。連接工具裝置200包括管夾持器150，而升降器140從管夾持器150下垂。對于管夾持器150而言，可以使用任何適當的已知管夾持器，或者作為選擇，可以使用如同時待決PCT申請No.所公開的管夾持器，該申請同屬于本案的申請人且基于2004年11月30提交的、標題為“管夾持器和頂部驅動系統(tǒng)(Pipe Gripper And Top Drive Systems)”的美國專利申請USNo.10/999,815。管夾持器150從頂部驅動鉆探單元120下垂并具有通常稱之為掛鉤118的連接裝置，而升降器40從管夾持器150下垂并具有活動臂124。
上述管夾持裝置可以僅僅夾住管子并禁止管子發(fā)生旋轉，或者可以是主動的管夾持裝置，具有用于夾住管子并作為旋轉器旋轉管子的驅動機構，和/或具有完善管子部分之間的螺紋連接的扭轉以使連接理想化的高轉矩能力?？梢蕴峁┍绢I域所公知的扭轉轉數監(jiān)測裝置，譬如Franks系統(tǒng)，來確保連接得到適當的完成以及不會發(fā)生對螺紋的束縛。
升降器140可以是同屬于本案申請人的共同待決PCT申請No.中所公開的類型，該PCT申請基于標題為“用于井筒操作的方法和裝置(Method and apparatus for wellbore operations)”的美國專利申請、2004年11月30日提交的已轉讓美國臨時申請No.60/631,954以及2005年7月7日提交的美國申請No.11/176,976。
升降器140優(yōu)選是具有兩個對置入口的類型，這兩個入口具有相互作用的兩個連接裝置以便升降器的任何一側都可以打開。由此，升降器能夠在一側打開以允許升降器單元移離開井筒的中心線，這樣頂部驅動鉆探單元能夠在增加新的鉆管或鉆管組之前將鉆柱向下鉆得盡可能地深；然后升降器的另外一側可以打開以便容納新的鉆管或鉆管組(在按照本發(fā)明的倒擴孔操作中，逆向過程也是如此)。在某些情況下，這類升降器具有兩個對置的、可選擇性進行釋放的鎖合機構以及兩個對置的處理凸出物。
圖3A和3B顯示了圖2中所示鉆井設備的一部分，并顯示了處于頂部驅動120之下的連接工具裝置200。保護接頭260從頂部驅動120的電機(未顯示)向下地延伸。連接工具裝置200包括夾持器單元150，該夾持器單元從懸掛于耳狀體139的掛鉤118下垂。升降器140從懸掛于管夾持器150的活動臂24下垂?；顒颖?4顯示處于水平位置上，這樣升降器140不與頂部驅動轉子成一條直線。鉆管組206的頂部也顯示為不與頂部驅動120的轉子成一條直線。各個活動臂24具有下側部分25，該下側部分穿過升降器140的相應孔眼45，并具有活塞和液壓缸裝置141以便圍繞銷142移動活動臂。夾持器單元150從掛鉤118下垂，掛鉤118配備有活塞和液壓缸(未顯示)以便圍繞耳狀體139移動，從而將夾持器單元150擺動至不與頂部驅動120的轉子(未顯示)對準。
如圖5中所示，保護接頭260與鉆柱108的頂部鉆管206螺紋相連接。保護接頭260被設置為由管夾持器150夾住和進行旋轉。
連接工具裝置200具有對夾持器裝置150進行支承的支承裝置202。升降器140的前端233具有對置的升降器入口231、232，該入口處于打開位置以便容納、包圍和支承鉆管或鉆管組206。在一個實施例中，為了啟動步驟次序，鉆探人員控制臺(參看圖2，控制臺DC)上的鉆探人員按下選定的按鈕，程序開始執(zhí)行。
如圖3中所示，鉆管206已經被(井架工手動或機械)移動到升降器140中，并且升降器140已經被圍繞鉆管206關閉(譬如，井架工使用液動系統(tǒng)來關閉升降器)。
圖4顯示了鉆管206被提升為離開鉆臺的狀態(tài)并到達連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)240(參看圖6A)上方的位置，該連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)可以是在此所提及的任何連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)。如圖4中所示，與圖3相比，升降器140已經被移動到夾持器裝置150的下面，而鉆管206與保護接頭260的縱軸線基本成一條直線。這種對準通過活塞和液壓缸裝置141的端部143與銷142的過中心連接而得以促進?；钊鸵簤焊籽b置141將升降器140推向圖4中所示的位置?；钊鸵簤焊籽b置141的其他端部144與夾持器裝置150相連。升降器140由于其自重和鉆管的重量而降低到圖4中所示的位置?；顒颖?4與防止其移動經過圖4中所示位置的止動器相銜接，而端部143的過中心連接幫助將升降器140和鉆管206保持處于圖4中所示的位置。
隨著鉆探人員將鉆管206如圖4中所示提升到升降器140中，如圖7A中所示利用活塞和液壓缸裝置將管子引導裝置242的管夾持器244向上提供至鉆管206，從而將管夾持器244移動更靠近鉆管206?？蛇x擇地，鉆工幫助將鉆管206移動到管夾持器244中。如圖6A中所示，管子引導裝置242被安裝在連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(CCS)240的頂部。CCS240在鉆臺上被設置在與圖2中所示CCS30相同的位置。
如圖6C中所示，下部的封井器組269處于對井筒中管柱209的頂部進行密封的閉合狀態(tài)。全封閉式封井器組268在管柱的頂部之上進行密封從而形成下部腔室(未顯示)。該腔室(未顯示)配備有對來自泥漿振動篩、離心機等的清潔鉆探泥漿進行供應的鉆探泥漿管線(未顯示)，所述鉆探泥漿獲之于從環(huán)形通道所返回的、混有固體的鉆探泥漿，所述環(huán)形通道形成在井筒與通過井筒的管子之間。因此鉆探泥漿循環(huán)通過下部腔室而進入鉆管的管柱的頂部。
圖6B顯示了鉆探人員降低頂部驅動由此降低升降器140和鉆管206，從而在利用管子引導裝置242將鉆管206與CCS240正確對準之后，將鉆管206插入到CCS240中。CCS240的緩沖器246選擇性地抓取鉆管。如圖6C中所示，可選擇地，緩沖器246中的卡爪(未顯示)接近鉆管206并抓住它，這時鉆管的底端206a仍未與鉆柱209相連而其上端保持處于系統(tǒng)240中。上部封井器組270對鉆管206進行閉合和密封。鉆管206的底端206a?？吭陂]合的全封閉式封井器組的頂部(如水平虛線241所示)，或是略微保持在系統(tǒng)240的中部壓力室之上。
圖4和圖5顯示了將保護接頭260的下端與鉆管206的上端206b相連的步驟。如圖4中所示，保護接頭260被設置為下降至鉆管206。頂部驅動120和連接工具裝置200被下降以便將保護接頭260的下端260a插入鉆管206的頂端206b。在圖5所示的位置，夾持器裝置150的卡爪并未抓取該花鍵部分260c。
在緩沖器246保持鉆管206的同時，頂部驅動120旋轉保護接頭260，從而通過對保護接頭260與鉆管206之間的連接進行旋轉和扭轉而形成組裝。
接著，返回的鉆探泥漿被轉換為流經旋轉接頭(未顯示，但類似于圖1C中的旋轉接頭62)，經過保護接頭260進入鉆管206，然后進入上部封井器270與全封閉式封井器268之間的上部腔室(未顯示)。
全封閉式封井器268被打開，由此上部和下部腔室中的泥漿壓力相等。鉆管206被降低到頂部驅動120上，而頂部驅動120旋轉鉆管206以便對其連接進行旋轉和扭轉。作為選擇，在CCS240處于上部封井器270上方的頂部提供有管鉗，或是利用夾持器單元150來旋轉和/或扭轉連接。可以從上部和下部腔室抽出剩余的鉆探泥漿，而上部和下部封井器270、269被打開并重新開始鉆探過程。如果鉆管206包括三個桿的組合，在通過首先啟動下部封井器269來密封鉆井中鉆柱的頂端從而重復上述過程之前，鉆探可以持續(xù)進行10m左右。
升降器入口231和232被打開，通過致動活塞和液壓缸裝置141升降器140在活動臂24上擺動而不與鉆管206相咬合，由此偏離于井筒的中心線。升降器入口231和232可以遠程開啟，或是鉆工手動地打開升降器入口231和232。然后，升降器入口231和232可以圍繞穿過井架頂部滑輪并到達一絞盤(未顯示)上的拖拉器纜繩250關閉。通過絞動拖拉器纜繩250，從掛鉤118下垂的連接裝置200擺動偏離于井筒的中心線，由此升降器140將其自身放置在連接于拖拉器纜繩250端部的支座254上，并拉動連接工具裝置200使其如圖7中所示與井筒中心線不成一條直線，從而允許鉆管降入到CCS240中以將鉆柱的頂部定位在下部封井器之上但處于全封閉式封井器之下。此時通過啟動頂部驅動而將保護接頭260與鉆柱斷開。
在組裝和斷開期間，優(yōu)選通過在鉆臺上使用能夠防止鉆柱轉動的卡盤，來禁止鉆柱的轉動。
CCS240在連接組裝(即，保護接頭與鉆管的連接)期間維持井筒中的流體循環(huán)。主體239與連接裝置214相連的彎曲或傾斜部分239a促進主體239與CCS240之間的接觸、以及主體239在發(fā)生接觸情況下經過CCS240的移動。拖拉器纜繩250的下端與固定器252相連，該固定器具有位于升降器140之下的下部254并具有直徑大于升降器140的部位，由此拖拉器纜繩250得以相對于升降器230進行固定和保持在適當位置。可選擇地，動力系統(tǒng)104b將連接工具裝置200移開，而不用使用拖拉器纜繩。
對于將鉆管拉出井孔的情況，為了將升降器140扣合在鉆管206上(鉆管組的頂部鉆管)，升降器140的后側被打開，升降器逆著裝置208的力而降低，然后升降器移動到鉆管206上(譬如通過鉆工和/或通過打開裝置208)。
夾持器裝置150的卡爪211、212已經閉合，并在系統(tǒng)240的緩沖器246保持鉆管206期間并未夾住保護接頭260的花鍵部分260e。接著，卡爪211、212進行移動以斷開保護接頭260與鉆管206之間的連接。夾持器裝置150被降低，以致其卡爪211、212夾住鉆管206然后斷開保護接頭/鉆管的連接。液壓缸裝置248將夾持器裝置150向下移動。一旦連接被斷開，頂部驅動120旋轉保護接頭260，從而將保護接頭260與鉆管206完全斷開。鉆管206從緩沖器246被釋放，頂部驅動20a和連接工具系統(tǒng)200從鉆管206上升離開，而鉆管206仍然處于升降器140中且其底端206a處于如圖6c中所示位置。接著，鉆探人員通過頂部驅動系統(tǒng)拾取鉆管組，將管子引導裝置242部署在CCS240的中心上方，通過管子引導裝置242的支架244抓住鉆管，然后利用管子引導裝置242將鉆管組移離于CCS240。接著，鉆管組被降低，這樣它的底端?？吭阢@臺114上。升降器230的前端由鉆工打開，該鉆工將鉆管206拉出升降器230以便退回到井架的指梁中。
圖8A和8B顯示了按照本發(fā)明的管子引導裝置242，其適于布置在CCS140的頂面上。管子引導裝置242具有兩個分隔的下部動力缸302、304，該動力缸具有分別可相對于動力缸302、304發(fā)生移動的軸306、308。與軸306、308相連的安裝架312、314通過具有軸承322、324的螺釘316、318可樞軸轉動地連接于基塊326、328。螺釘332將基塊326、328固定于托架310。
上部滑動機構342、344具有處于管路356、358中的軸346、348，所述軸可沿著大致非水平的方向移動。軸346、348的下端通過螺釘366與外殼354相連。托架310通過螺栓332固定于塊326、328。外殼354可以通過固定支架362而安裝至其他的裝置(譬如，CCS單元或強壯的鉆工)，外殼354的軸364通過該固定支架362進行延伸以使外殼354相對于固定支架362作樞軸轉動。軸承374有助于軸364在固定支架362中進行移動。機械的止動器368通過螺釘366與外殼354相固定，該止動器368用于防止基座310和連接于基座310的結構移動到水平以下。螺釘376將固定支架362固定于其他的裝置或結構(譬如，CCS單元的頂面或強壯的鉆工)。剪切銷378承擔側向的荷載，并防止側向荷載加在將支架362擰緊于其他裝置的螺栓376上。如果施加了足以切斷剪切銷378的側向力，剪切銷378發(fā)生切變。在力度數值小于安裝有管子引導裝置242的設備或機構的鐓鍛力的情況下，剪切銷378是可切變的。
為了在某些預定位置停止管子引導裝置242的移動(譬如在鉆井中心以便將管子插入CCS、或是在管子被傳遞到管子處理裝置的與鉆井中心相間隔的位置)，液壓缸302上的近控開關500被設置為能夠對管路334上的預裝目標元件501、502進行感測。與液壓缸302相連的桿503在固定于安裝架312的管路334中可伸縮地移動。在如圖8A和8B所示的實施例中，目標元件501被設置在夾持器組件400(其中帶有管子)處于鉆井中心的位置。目標元件502被設置在夾持器組件400處于管子拾取/卸下區(qū)域的位置。螺母336可以用作顯示夾持器組件400處于貯藏(平展)狀態(tài)的標志。近控開關500由管子引導裝置的控制系統(tǒng)CS所控制并進行通信，該控制系統(tǒng)可控制液壓缸。
圖8C顯示了如圖8A中所示、可以用來支承如圖8C中示意性所示零件505的固定/支承結構，該零件可以是用于容納管狀元件的任何托架、用于容納管狀元件的接收器、(中央開口的、虛線所示的開口式、或封閉式)管鉗、夾持器或抓取器。
參看圖9a至9E，在一個示例中，支架244是通過頭部402、404可樞軸轉動地固定于管路356、358上端的夾持器組件400。優(yōu)選地，支架244或夾持器組件400是平衡的，這樣它保持處于基本水平的方位。頭部402、404通過螺釘384與管路356、358相固定，所述螺釘延伸穿過管路356、358的凸緣382進入到頭部402、404中。螺栓406延伸穿過軸承408、410并穿過頭部402、404到達夾持器組件400。
夾持器組件400具有包括內部421和可移動頂蓋板422的外殼420，所述頂蓋板通過螺栓424與外殼420相固定。兩個夾持臂432、434各自通過延伸經過孔438的銷426與桿428樞軸轉動地相連。桿428通過螺母436固定于外殼420。對桿428進行移動可調節(jié)彈簧494上的張力，并允許將臂432、434的端部432a、434a調節(jié)至外殼420內部或如圖8A中所示從其凸出。在彈簧494的強度范圍內，臂432、434能夠將管子保持在外殼420中。
各個臂432、434分別通過銷456、458與相應的連接裝置452、454相連，所述銷456、458部分地布置和鎖位在(臂434的)元件466、468的相應凹槽462、464中和(臂432的)元件472、474的凹槽486、488中，并且部分地位于蓋罩478的凹槽476中(凹槽488在圖9E中未顯示；處于于凹槽468相對應的位置)。蓋罩478通過螺釘482固定就位，該螺釘482穿過蓋罩478并擰緊在元件466、468、472、474的相應孔484中。銷456、458在軸承492上發(fā)生移動。彈簧494是壓縮彈簧，其彈力可以通過人工移走臂432、434之間的管子而得以克服。
臂432、434能夠關于銷456、458而樞軸轉動，并可以關于將臂釘在外殼上的銷496相對外殼420作樞軸轉動。
彈簧494和連接裝置492(彈簧494與其相連)都可以在提供減震功能的軸497上進行移動。
權利要求
1.一種用于引導管子的裝置，該裝置包括基座(240)、從所述基座(240)延伸的第一可延伸元件(342，344)、可樞軸轉動地固定(322，328)于第一可延伸元件(344)的第二可延伸元件(302，304)，以及與第一可延伸元件(344)相連接的管子支架(400)。
2.如權利要求1的裝置，其中第一可延伸元件(344)在樞軸(364)上與基座(240)相固定。
3.如權利要求2的裝置，其中所述樞軸(364)允許在一個平面中的運動。
4.如權利要求1-3任何一項的裝置，其中第二可延伸元件(302，304)包括禁止所述管子支架(400)的最大移動的止動器。
5.如前面任何一項權利要求的裝置，其中管子支架(400)可樞軸轉動地連接(406)于第一可延伸元件。
6.如前面任何一項權利要求的裝置，其中管子支架(400)可樞軸轉動地連接于第一可延伸元件(302，304)，以致該管子支架裝置維持一基本水平的方位。
7.如前面任何一項權利要求的裝置，其中管子支架(400)選自于包括開口式管鉗、閉合式管鉗和夾持器的組合。
8.如前面任何一項權利要求的裝置，進一步包括安裝架(362)，下部延伸元件(304)的第二端可樞軸轉動地連接于安裝架。
9.如前面任何一項權利要求的裝置，其中基座(240)是連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(240)的至少一部分。
10.如權利要求9的裝置，其中連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(240)具備與井筒中心相對準的中心，并且管子支架(400)對準于該系統(tǒng)中心。
11.如權利要求9的裝置，其中所述管子引導裝置具備管子引導中心，管子支架(400)可以移動至該管子引導中心及從其移開，并且其中管子支架(400)可移動到這樣一個位置，在此位置管子支架(400)并不處于連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(240)之上。
12.如前面任何一項權利要求的裝置，其中管子支架(400)具有用于容納管子的開口。
13.如權利要求12的裝置，其中管子支架(400)具有至少一個活動臂(432)，其用于可釋放地保持管子。
14.如權利要求13的裝置，進一步包括至少一個彈簧(454)，其與所述至少一個臂(432)相連用于將所述至少一個臂(432)推入到所述開口中。
15.如權利要求14的裝置，進一步包括調節(jié)裝置(436)，其與所述至少一個臂(432)相連用于調節(jié)所述至少一個臂(432)的位置。
16.如權利要求15的裝置，其中所述調節(jié)裝置(436)包括螺母和螺栓裝置。
17.如權利要求13-17任何一項的裝置，其中所述至少一個臂是兩個臂(432，434)，各個臂(432，434)可圍繞銷(496)旋轉，其中各個所述臂(432，434)的一端凸入到所述開口中，而另一端可樞軸轉動地連接于彈簧(452，454)，桿(497)穿過各個彈簧(452，454)并樞軸轉動地彼此互聯(lián)且聯(lián)接于調節(jié)軸(428)。
18.如權利要求13-17任何一項的裝置，其中所述至少一個臂(432)可運動至這樣一個位置，以致所述臂的任何部分都不凸入到所述開口中。
19.如前面任何一項權利要求的裝置，進一步包括另外的第一可延伸元件(342，344)和另外的第二可延伸元件(302，304)，管子支架(400)布置在所述第一可延伸元件與所述另外的第一可延伸元件之間。
20.一種包括如前面任何一項權利要求所述裝置的鉆井設備，該鉆井設備包括位于鉆井中心上的井架和平臺，所述裝置被布置為第一可延伸元件位于鉆井中心周圍。
21.一種連續(xù)循環(huán)設備，具有上部密封件和下部密封件，該上部密封件用于密封一管子，所述管子待組裝到井筒中的管柱上或從其上拆卸，該下部密封件用于密封管柱以便在組裝或拆卸期間允許鉆探泥漿通過管柱的連續(xù)循環(huán)，其特征在于，該連續(xù)循環(huán)設備包括用于將管子引導進入所述上部密封件的裝置。
22.一種用于鉆鑿井筒的方法，該方法包括下列步驟通過延伸從所述基座(240)延伸的第一可延伸元件(342，344)、和可樞軸轉動地固定(322，328)于第一可延伸元件(344)的第二可延伸元件(302，304)，由此使得管子支架(400)移向待連接至鉆柱的管子或管子組(206)，從而將管子或管子組(206)引導進入連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(240)中；所述管子支架(400)保持住管子、將管子牽引到連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(240)上方并將管子(206)降入到連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(240)中。
全文摘要
一種用于引導管子的裝置，該裝置包括基座(240)、從所述基座(240)延伸的第一可延伸元件(342，344)、可樞軸轉動地固定(322，328)于第一可延伸元件(344)的第二可延伸元件(302，304)，以及與第一可延伸元件(344)相連接的管子支架(400)。一種用于鉆鑿井筒的方法，該方法包括下列步驟通過將從所述基座(240)延伸的第一可延伸元件(342，344)、和可樞軸轉動地固定(322，328)于第一可延伸元件(344)的第二可延伸元件(302，304)發(fā)生延伸，由此使得管子支架(400)移向待連接至鉆柱的管子或管子組(206)，從而將管子或管子組(206)引導進入連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(240)中；所述管子支架(400)保持住管子、將管子牽引到連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(240)上方并將管子(206)降入到連續(xù)循環(huán)系統(tǒng)(240)中。
文檔編號E21B19/24GK101094965SQ200580045765
公開日2007年12月26日 申請日期2005年11月3日 優(yōu)先權日2004年11月30日
發(fā)明者F·B·斯普林格特, E·T·恩斯利, D·A·貝內特, J·D·布魯格曼 申請人:瓦克I/P公司