CN101273181A - 夹持井下管件的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种井下管件的夹持和悬吊设备，其用于夹持井下管件并从所述设备上将所述井下管件悬吊下来。该设备具有机架(2)和底部开口(6)，用于通过所述底部开口(6)将所述管件的所述顶端引入接收腔(5)。外部的管接头夹持构件(20)安装在所述机架(2)上，用于夹持管接头的增大直径部分的外部。肩部支承构件(30)安装在所述机架(2)上，适合于在容纳于所述接收腔(5)中的管件顶端的所述肩部(103)下方与其接合。

Description

夹持井下管件的设备

技术领域

本发明涉及一种在油气钻探系统和类似系统中使用的夹持井下管件的设备。

背景技术

已知的钻井方法是使用所谓的顶部驱动机构转动钻管接头的钻柱。这种顶部驱动机构包括机体，其通常从钻井装置的动滑轮上悬吊下来，可沿井眼的轴线垂直移动。

该顶部驱动机构通常还包括连接到机体并具有可转动输出构件的马达(例如，电动机或液压马达)。

提供具有夹持和悬吊井下管件的设备的顶部驱动机构是为大家所共知的。这种设备通常设置在顶部驱动马达的下方并且与其互连，使得不仅可以提升和降低管件，而且如果需要例如为了钻探操作还可以对井下管件施加旋转运动。

已知的用于夹持和悬吊井下管件的设备包括设置在设备机架中的一系列夹爪，其适合于卡接在远离钻管顶端区域的钻管或套管的外部。采用这种方法是要避免对管的带螺纹顶端的破坏。

在油气钻探工业中，使用管件是众所周知的，其中管件顶端设有一增大直径的管接头(对于钻管而言，其通常称为“母接头”，而下端设有一称为“销”的螺纹端)或套管的螺纹端(其通常没有增大直径的管接头)。

此处所述的用于夹持和悬吊的设备所使用的其它管件是例如井衬。

众所周知在钻探操作中，在管件上会施加一个很大的扭矩。而已知的顶部驱动机构在这方面是不能令人满意的。

另一问题是已知的顶部驱动机构的安全性。在这一点上已知的机构也是不能令人满意的。

发明内容

本发明的目的是提供一种改进的用于夹持和悬吊井下管件的设备。

本发明的另一目的是提供一种设备，其能够传递较高的扭矩，同时不会破坏设备所夹持的管件部件。

本发明的又一目的是提供一种设备，能够安全可靠地对其进行操作。

本发明的设备在外部夹持住管接头。如前所述，钻管接头通常具有这样一管接头(母接头)，其比钻管段具有更大的外部直径，还通常由不同的钢和/或硬化钢制成，并且通常设有用于与钻管互连的坚固的粗糙内(圆锥)螺纹。因此能够以管接头上的较高载荷对管接头的外部进行夹持，而不会对管接头产生令人无法接受的破坏，而且夹持表面的直径大于管段的直径。这两种因素使得高扭矩能够传递到钻管，并可实现管接头上的可靠夹持。

该设备还提供一种与井下管件肩部的下侧接合的支承构件。由此可特别可靠地防止管件从设备脱开和落下，例如落入井眼中。例如当夹持构件松开管接头上的夹持时(例如，夹持构件和/或其驱动装置发生故障时)，这是非常有效的。

应当理解的是根据井下管件的构成，“肩部”可由不同的方式形成。一种选择是管接头本身例如下端形成其肩部。我们还知道，具有在其上端设有“镦锻”的钻管，其通常是通过锻造上端以得到增大厚度的部分而实现的，向着钻管的上端其具有锥形的逐渐加宽的另一直径。然后将管接头固定例如焊接在这个“镦锻”上面。在这种钻管中，镦锻可提供该“肩部”，设备的肩部支承构件位于其下方并与其接合。在例如由于焊接缺陷或损坏而导致管接头与钻管的镦锻分开的情况下，这甚至能够提供钻管(或与钻管互连的钻柱)的“下落保护”。

优选这样设计该设备，使得当管件的顶端插入接收腔时，首先一个或多个肩部支承构件进入其工作位置，然后该肩部支承在一个或多个肩部支承构件(例如，通过相对于管件提升设备)。之后夹持构件与管接头形成紧密的夹持接合。

应当注意的是根据本发明的设备被集成到顶部驱动机构中，但是其它应用，例如用于油气钻探操作中井下管件的提升以及类似的应用也是可行的。

通过提供一种根据权利要求1的设备，本发明实现了一个或多个上述目的。

该设备的其它优选实施例在所附的权利要求和说明书中进行了公开。

本发明还涉及一种顶部驱动机构，其包括此处所述的用于夹持和悬吊井下管件的设备。

本发明还涉及一种包括此类顶部驱动机构的钻机，以及一种利用该设备进行钻探和悬吊此处所述的井下管件的钻井方法。

附图说明

现在将参照说明书对本发明进行更详细的描述，其中参照附图公开了一优选实施例。

在附图中：

图1示出了根据本发明的用于夹持和悬吊井下管件设备的一优选实施例的纵剖图，在左手的半边，管接头夹持构件和肩部支承构件处于工作位置，在右手的半边，这些构件处于非工作位置；

图2是图1的设备的下部的放大视图；

图3是沿图2中的线III-III截取的横剖图，肩部支承构件处于工作位置；

图4是沿图2中的线IV-IV截取的横剖图，管接头夹持构件处于工作位置；

图5a-f是使用图1的设备夹持管件顶端的不同连续阶段。

具体实施方式

图1和图2显示了井下管件的夹持和悬吊设备1，其适合于夹持井下管件100并从所述设备1上将所述管件100悬吊下来。

图示的设备1适合于集成到顶部驱动的钻井装置中。此处设备1具有一装配有中心轴3的机架2，该中心轴3设有一连接器(图中未示)，用于将中心轴连接到顶部驱动钻井装置的马达。

正如众所周知的那样，顶部驱动钻井装置可在例如从钻机的动滑轮上悬吊下来的钻机内上下移动，使得所夹持和悬吊的管件例如钻管或套管的钻柱可被升起或降下(进入井眼)。通过其与顶部驱动马达的连接，机架2可以旋转，从而所夹持和悬吊的管件也能够旋转，例如实现连接到管件的钻头或类似物的旋转。这样的旋转顶部驱动机构也可用于与螺纹管件的互连和/或分离。

此处的管件100是普通的例如30英尺长的钻管，其具有一直径基本相同的管段101和设有管接头102的顶端，管接头102通常称为母接头，用于与管件100互连。管接头102具有一增大直径的部分，其比管段101的直径大。对于这种类型的钻管来说是很普通的，即所述管件100的顶端还具有外肩103，此处的锥形肩部在管段外部和管接头102的增大直径部分之间形成了过渡。

可以看到管接头102具有用于与管件互连的锥形内螺纹。

这里，机架2通常形成具有底部开口6的接收腔5，用于通过所述底部开口6将所述管件100的所述顶端引入接收腔5。

在机架2中，设置有外部的管接头夹持装置，用于夹持管接头102，由此以达到紧密的夹持，使得大的扭力能够从顶部驱动马达传递到管接头102，从而传递到管件100。

在这个实施例中，管接头夹持装置包括分布在用于管件顶端的接收腔周围的多个管接头夹持构件，以便在周向间隔位置处接合在管接头上(也参见图4)。

此处将每个夹持构件设计为可沿机架2的相关导向件21滑动的夹爪20。每个导向件21形成一导向面22，其沿底部开口6的方向逐渐缩减成较小的直径，使得当夹爪20前进到所述底部开口6时，所述夹爪移入其工作位置，并且每个夹爪的夹紧面23夹持管接头102的增大直径部分。很明显这样的夹紧面23可以是例如具有粗糙表面或类似物的加强夹持设计。

设备1还包括肩部支承装置，该肩部支承装置包括一个或多个肩部支承构件30，其可移动地安装在所述机架上，适合于接合在容纳于所述接收腔5中的管件顶端100的所述肩部103下方。

在此处所示的实施例中，设置有多个肩部支承构件30，其在此处分布在底部开口6附近、用于管件顶端的接收腔5周围，以便在周向间隔开的支承位置接合在肩部103下方(同样参见图3)。在这个实例中使用了三个肩部支承构件30。

在此处所示的设计中，每个肩部支承构件30可绕相关枢轴31枢转，此处在与所支承的管件100垂直的平面中绕枢轴枢转。在所示的方案中，每个支承构件30可在升高的非工作位置(见图1，2中的右手边)和降低的工作位置(见图1，2中的左手边)之间移动。

在每个肩部支承构件30下方，机架2提供了挡块32，用于处于其工作位置的肩部支承构件30的支座，使得力通过肩部支承构件上的管件100直接传递到机架。应当注意的是这个力可能是很大的，例如几百吨(例如超过200吨)，例如，由于钻柱的重量，从井眼中拉出钻柱所需的力等等。

在图1和图2中，可以看到此处每个可枢转的肩部支承构件30都通过相关的连杆35连接到基本位于肩部支承构件上方的夹钳构件20。

在所示的设计中，每个连杆35通过铰链36被枢转到支承构件30，与相关枢轴31间隔一定距离。连杆35的另一端枢转到夹爪20，其中枢轴37被导入基本沿所要支承管件的方向延伸的夹爪的细长插槽26中。

为了启动夹爪20，每个夹爪20通过一相关连杆40连接到可相对于机架2滑动的公共环形构件41。连杆40的两端是可以枢转连接的。

在这个实施例中，设备1具有弹簧50，此处设置弹簧50用于将夹爪推进到其工作位置。此处弹簧50对所有的夹爪20是共用的，但是还可以预计的是每个夹爪20可与其自身的弹簧相连。此处弹簧是绕轴设置的，并且能够施加一很大的力(轴的直径可以是例如300mm)。此处弹簧50的上端抵靠在固定到轴3的支承环51上。弹簧50的下端作用在环形构件41上，并向下推动环形构件41。这里中间环形构件42，43设置在弹簧下端和环形构件41之间。

为了压缩弹簧50，在这个实施例中也就是要提升环形构件41，此处提供了动力致动器，即液压致动器70。

在这个实施例中，致动器70还能够在环形构件41上从而在夹爪20上施加向下的力。

此处致动器70是环状设计，其具有通过轴3(弹簧50上方)上的合适轴承72支承的内环壁71以及可相对于内壁71上下滑动的外壁73。外壁73通过滚柱轴承75连接到中间环形构件43。

内壁71安装有环形活塞74以形成上下两个可变的液压腔76a，76b，通过适当的液压动力单元可将液压流体提供到所述的液压腔中。

当此处的管件100为钻柱时，此处的中心轴3可设有中央流体通道80，其从上口延伸到在接收腔5内延伸的流体连接装置，所述流体连接装置适于连接到管件100以便在所述管件100和所述中央流体通道80之间建立流体连接，例如在钻探操作期间将钻探泥浆传送到管件中。

在所述的实施例中，流体连接器包括连接到机架2并与中央流体通道80处于连通的管部件85，所述管部件可插入管件100的顶端。为了在所述管部件和管件顶端之间建立流体密封，提供了一密封装置。

在此实施例中，该密封装置包括一密封环86，其环绕管部件85延伸，并且可沿其滑动段相对于所述管部件滑动，同时可以保持所述环86和所述管部件85之间的流体密封，所述环86的尺寸设置为与管件100的顶端密封接合。

设置一弹簧87，用于推动所述密封环86，使其与所述管件100密封接合。

参照图5a-f，将会看到管件100是如何通过设备1进行夹持的。

在图5a中仅可见到管件100的最顶端，设备1被保持处于此顶端的上方。可以看到液压致动器70已将夹爪20向上拉动，使得它处于其非工作位置。因此肩部支承构件30也处于其升起的非工作位置。

然后将设备1降低至管件100的顶端上，使得管接头102通过底部开口6进入接收腔5。管件100的正面抵靠在密封环86上(见图5b)。

之后液压致动器70运行以使弹簧50拉伸(纵向)，使得夹爪20沿导向件21下降。在夹爪20在管接头102上形成夹紧接合之前，肩部支承构件30到达其工作位置，此时其抵靠在机架2的挡块31上(见图5c)。

一旦肩部支承构件30到达其工作位置，就相对于管件100提升设备1，这使得管件100的肩部103紧靠在支承构件30上(见图5d和5e)。

优选地，仅仅在此时运转液压致动器70以将夹爪20向下压，使得管接头被夹爪20紧紧夹持(见图5f)。

应当理解的是一旦肩部支承构件30处于其工作位置，那么管件100从设备1跌落的任何风险就都可以避免。此外，当通过较大的力使夹爪20沿管接头102向下移动以达到紧密夹持时，支承构件30保持管接头102处于其适当的位置。

支承构件30的一优选结构具体在于：在工作位置，与肩部30的接触面位于枢轴31上方，由此使得管件100的任何向下的移动都会通过所述支承构件30导致肩部的更紧密的夹持。

本发明还涉及一种井下管件的夹持和悬吊设备，其适合于夹持井下管件并从所述设备上将所述井下管件悬吊下来，所述井下管件具有一直径基本相同的管形管段和所述管件的顶端，其设有用于与管件互连的管接头，所述管件的顶端还具有外肩，

其中所述设备包括：

一机架，其具有带底部开口的接收腔，通过所述底部开口将所述管件的所述顶端和管形管段的一部分引入接收腔；

外部的管件夹持装置包括：

安装在所述机架上的许多管件夹持构件，其适合于夹持管形管段的外部，

驱动装置，其使得所述管件夹持构件能够在非工作位置和有效位置之间移动，其中在非工作位置，所述管件的所述顶端可插入所述接收腔中，在工作位置，所述管件通过所述管件夹持构件夹持；

肩部支承装置包括：

一个或多个肩部支承构件，其安装在所述机架上，适合于接合在容纳于所述接收腔中的管件顶端的所述肩部下方，

驱动装置，其使得所述肩部支承构件能够在非工作位置和工作位置之间移动，其中在非工作位置，所述管件的所述顶端可插入所述接收腔中，在工作位置，每个肩部支承构件接合在所述肩部下方。

Claims (16)

1、井下管件的夹持和悬吊设备(1)，其用于夹持井下管件并从所述设备上将所述井下管件(100)悬吊下来，所述管件具有一直径基本相同的管形管段(101)和设有管接头(102)、用于与管件互连的所述管件的顶端，所述管接头具有一增大直径的部分，所述管件的所述顶端还具有外肩(103)，

其中所述设备包括：

一机架(2)，其具有带至少一底部开口(6)的接收腔(5)，用于通过所述底部开口将所述管件的所述顶端引入接收腔；

外部的管件夹持装置包括：

一个或多个管接头夹持构件(20)，其可移动地安装在所述机架上，用于夹持容纳在所述接收腔(5)中的管件顶端的管接头(102)的增大直径部分的外部，

驱动装置(40，41，42，43，50，70)，其使得所述一个或多个管接头夹持构件能够在一非工作位置和工作位置之间移动，其中在非工作位置，所述管件的所述顶端能够插入所述接收腔中，在工作位置，所述管接头通过所述管接头夹持构件夹持；

肩部支承装置包括：

一个或多个肩部支承构件(30)，其可移动地安装在所述机架(2)上，用于接合在容纳于所述接收腔中的管件顶端的所述肩部(103)下方，

驱动装置(35，40，41，42，43，50，70)，其使得每个肩部支承构件能够在一非工作位置和工作位置之间移动，其中在非工作位置，所述管件的所述顶端能够插入所述接收腔中，在工作位置，每个肩部支承构件(30)接合在所述肩部(103)下方。

2、根据权利要求1所述的设备，其特征在于：设置有多个肩部支承构件(30)，其分布在用于管件顶端的接收腔(5)周围，以便在周向间隔开的支承位置处接合在肩部(103)下方。

3、根据权利要求1或2所述的设备，其特征在于：每个肩部支承构件(30)可绕相关枢轴(31)，优选在与所支承的管件垂直的平面中绕枢轴(31)，优选在升起的非工作位置和降低的工作位置之间枢转。

4、根据权利要求3所述的设备，其特征在于：机架(2)提供了挡块(32)，用于在其工作位置的肩部支承构件(30)的支座，使得力通过肩部支承构件上的管件直接传递到机架(2)。

5、根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的设备，其特征在于：设置有多个管接头夹持构件(20)，其分布在用于管件顶端的接收腔(5)周围，以便在周向间隔开的位置处接合在管接头(102)上。

6、根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的设备，其特征在于：管接头夹持构件是夹爪(20)，其可沿机架(2)的相关导向件(21)滑动，优选所述导向件形成一导向面，其沿底部开口的方向逐渐缩减成较小的直径，使得当夹爪前进到所述底部开口时，所述夹爪移入其工作位置，并且所述夹爪的夹紧面夹持该管接头。

7、根据权利要求3和6所述的设备，其特征在于：为了通过夹爪的驱动实现肩部支承构件的驱动，每个肩部支承构件(30)例如通过相关连杆(35)连接到夹爪(20)，优选使得肩部支承构件(30)首先到达其工作位置，之后肩部(103)靠在这些肩部支承构件上(例如，通过提升设备(1))，然后夹爪(20)进入它们的工作位置。

8、根据权利要求6或7所述的设备，其特征在于：每个夹爪(20)通过一相关连杆(40)连接到可相对于机架(2)滑动的公共环形构件(41)。

9、根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的设备，其特征在于：为公共环形构件设置一致动器(50，70)，其优选包括将公共构件(41)推向与夹爪(20)的工作位置相对应的位置的弹簧(50)，例如将公共环形构件(41)移向与夹爪的非工作位置相对应的位置的动力致动器(70)，例如，液压致动器。

10、根据前述权利要求中的一项或多项权利要求所述的设备，其特征在于：设备(1)包括装配到机架(2)的中心轴(3)，该中心轴设有一连接器，用于将中心轴连接到顶部驱动钻井装置的马达。

11、根据权利要求10所述的设备，其特征在于：中心轴设有中央流体通道(80)，其从上口延伸到在接收腔内延伸的流体连接器装置，所述流体连接器装置(85-87)用于连接到管件，以便在所述管件和所述中央流体通道之间建立流体连接，例如在钻探操作期间将钻探泥浆传送到管件中。

12、根据权利要求10所述的设备，其特征在于：流体连接器包括连接到机架并与中央流体通道处于连通的管部件(85)，所述管部件可插入管件的顶端，为了在所述管部件和管件顶端之间建立流体密封提供了一密封装置(86，87)。

13、根据权利要求12所述的设备，其特征在于：密封装置包括一密封环(86)，其环绕管部件延伸，并且可沿其滑动段相对于所述管部件滑动，同时保持所述环和所述管部件之间的流体密封，所述环的尺寸设置为与管件的顶端密封接合，优选设置弹簧偏压装置(87)，用于推动所述密封环与所述管件接合。

14、一种顶部驱动机构包括机体，其可悬吊在钻机内，例如沿安装在所述钻机内的竖直导向件竖直移动，所述顶部驱动机构通常还包括具有可转动输出构件的马达，并且还包括夹持和悬吊连接到所述机体的井下管件的设备，以允许井下管件的竖直运动和旋转运动。

15、一种用于油气钻探中的钻机包括夹持和悬吊根据前述权利要求中的一项或多项权利要求的井下管件或根据权利要求14的顶部驱动机构的设备。

16、钻探和/或用于为油和/或气的井眼使用的方法，其特征在于：使用夹持和悬吊根据前述权利要求中的一项或多项权利要求的井下管件的设备。

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