CN101438026A - 管运行工具 - Google Patents

Abstract

披露了一种用于处理管段(102)、将管段(102)与管柱(104)联接且处理在井眼(106)内的管柱(104)的设备(108)。设备具有连接到顶部驱动器(112)的驱动轴的管接合组件(108)。管接合组件(108)具有可释放地接合管段(102)的自接合式球(300)和锥形槽(320)组件。当管接合组件(108)连接到驱动轴且球(300)和锥形槽(320)组件接合管段(102)时，驱动轴的任何旋转导致管段(120)的旋转。此旋转允许管段(102)接合管柱(104)。

Description

管运行工具

与相关申请的交叉参考

此申请要求了2006年4月25日提交的名为“Tubular Running Tool”的美国专利申请No 11/410,733的优先权，其披露在此通过参考完全合并。

技术领域

本发明涉及钻井操作，且更特定地涉及用于辅助组装、分解和处理例如套管柱、钻柱等的管柱的设备。

背景技术

地下钻井涉及组装管柱，例如套管柱、钻柱等，它们的每个包括多个从钻机向下延伸到井眼内的细长的重的管段。管柱包括多个以螺纹相互连接的管段。

常规地，工人使用费力的方法来将管段连接以形成管柱。此方法涉及使用工人，典型地使用“扶套管入扣的钻工(对扣工)”和大钳操作员。扶套管入扣的钻工手动将管段的下端与现有的管柱的上端对齐，且大钳操作员将大钳接合以使段旋转，从而将段螺纹连接到管柱。虽然这样的方法是有效的，但它是危险的(特别是因为“扶套管入扣的钻工”和“大钳操作员”典型地在高平台上工作)，麻烦的，低效的。另外，大钳要求多个工人来正确地接合管段且将管段连接到管柱。因此，这样的方法是费力的且因此是昂贵的。此外，使用大钳可能要求使用脚手架或类似结构，这对于工人是危险的。

已建议了运行工具，利用常规的顶部驱动组件以用于组装管柱。运行工具包括操纵器，该操纵器接合管段且将管段抬升到动力辅助升降机内，该升降机依赖于施加到它的能量来保持管段。升降机联接到使其旋转的顶部驱动器。因此，管段接触了管柱且顶部驱动器使得管段旋转且将其与管柱螺纹接合。

虽然这样的工具提供了优于用于组装管柱的更常规的系统的益处，但这样的工具具有缺点。一个这样的缺点是管段可能被升降机模具划伤。另一个缺点是在无工人的参与的情况下常规的操纵器臂不能移除单独的接头管且将它们向下放在管道甲板上。

因此，对于本领域一般技术人员将显见的是持续存在对于利用现有的顶部驱动器有效地将管段与管柱联接并处理在井眼内的该管柱的设备的需求。本发明解决了这些需求等。

发明内容

本发明提供了一种设备，所述设备将管段从井架大门(v-door)移动或移向井架大门，将管段与管柱联接且处理在井眼内的管柱。

本发明的设备的例子包括连接到顶部驱动器的驱动轴的管接合组件。管接合组件具有接合管段的自接合球和管段锥形槽组件。管接合组件连接到驱动轴，使得驱动轴的旋转导致管段也旋转。设备也可以具有单独的接头处理机构。此机构可以具有远程控制的升降机提升机构，该升降机提升机构带有升降机连杆和操纵器臂以将管段从管输送系统导向到井中心或从井中心导向到管输送系统。

本发明的方法的例子包括提供管段，提供顶部驱动器，提供管接合组件，将管接合组件连接到驱动轴，拾起管段，使用球和锥形槽组件将管接合组件连接到管段，使用操纵器臂将管段在井眼上方定心，降低顶部驱动器以导致管段与管柱接触，和旋转驱动轴使得管段接合管柱。

附图说明

图1是示出了根据本发明的运行工具的一个实施例的侧视图。

图2A是根据本发明的外部管接合组件的一个实施例的部分侧视图。

图2B是根据本发明的内部管接合组件的一个实施例的部分侧视图。

图3是根据本发明的球和锥形槽组件的一个实施例的剖开的侧视图。

图4A是图3的球和锥形槽组件的截面侧视图，其中球处于锥形槽的收缩部分处。

图4B是图3的球和锥形槽组件的另一个截面侧视图，其中球处于锥形槽的展宽部分处。

图4C是图3的球和锥形槽组件的截面顶视图。

图5是补偿器组件的剖视图。

具体实施方式

参考图1，图示示出了运行工具100以用于处理管段102、将管段102与管柱104联接且处理在井眼内的管柱104。运行工具100具有管接合组件108，该管接合组件108连接到顶部驱动器112的驱动轴110。管接合组件108具有尺寸设计为可释放地接合管段102的球和锥形槽组件114。球和锥形槽组件114接合管段102，使得驱动轴110的旋转导致管段102的相应的受控旋转。

管运行工具100也可以包括可连接到顶部驱动器112的块116。块116能够接合多个连接到钻机绞车或管柱提升机构121的钢丝绳118。钻机绞车或管柱提升机构121允许相对于钻台134提升和降低顶部驱动器112。

管段102通过连接到顶部驱动器112的块116、使用一个或多个升降机连杆124和升降机提升机构126从管输送系统122升起。升降机提升机构126可以装配有两个铰接的侧门，所述侧门当处理管段102时开启和关闭。侧门将具有安全锁机构以将管段102固定在升降机提升机构126内。替代地，可以使用标准的升降机提升机构。升降机连杆124和升降机提升机构126将管段102提升直至管处于垂直，从而与井眼和运行工具100对齐。操纵器臂140辅助将管段102在其下端处对齐。升降机提升机构126可以液压地或气动地运行。升降机连杆124具有至少一个液压缸141以控制升降机连杆124的角度。

同相应的管接合组件108和仍连接到升降机提升机构126的管段102一起，顶部驱动器112下降，直至在管段102的底部处的螺纹与在存在于井眼106中的管柱104的顶部处的螺纹对齐。因为顶部驱动器112非常重，所以它可以具有补偿器128以保证仅管段102和驱动轴110的重量放置在螺纹上。这防止错扣或螺纹剪切。替代地，如果顶部驱动器112不具有正确地补偿的能力，则以与以上所述类似的方式工作的外部保持器129可被添加到顶部驱动器112的底部。补偿器128或129可以包括指示器500(在图5中示出)以示出外部补偿器129或补偿器128的位置。当顶部驱动器112不连接到管柱104时，静止的或旋转的滑块或支架130将管柱104支承在井眼106内。滑块或支架130可以使用非常类似于管接合组件108的管柱104的球和锥形槽组件来接合管柱104。一旦管段102通过管柱104支承，则顶部驱动器112继续被降低，直至管接合组件108接合管段102。为便于此接合，运行工具100可以包括入扣导向件200(在图2A和图2B中示出)。入扣导向件200将管段102围绕管接合组件108定心。虽然入扣导向件200可以处于任何位置，但希望的是它在管接合组件108的底部上。

一旦在管柱104顶部处的螺纹与在管段102底部处的螺纹对齐，且管接合组件108完全被插入，则顶部驱动器112的向下运动停止，管接合组件108接合且顶部驱动器112被操作使得驱动轴110转动。驱动轴110的转动导致管接合组件108以及因此管段102的受控旋转。在此时间期间，滑块或支架130防止管柱104旋转。当驱动轴110转动时，管段102连接到管柱104且成为其部分。其结果是顶部驱动器112能够支承整个管柱104的悬浮的载荷，且滑块或支架130能够分离。在此点上，顶部驱动器112能够运行以升起、旋转、降低或执行对于管柱104典型的任何其他运行。如果管柱104不完整，则块116可以降低顶部驱动器112，因此将管柱104降低到井眼106内。此降低可能提供间隙以用于将另外的管段102添加到管柱104。在另外的管段102被添加前，滑块或支架130再次接合管柱104以提供支承。顶部驱动器112然后从管柱104分离，使得它自由接附到下一个管段102。滑块或支架130将管柱104保持到位，直至添加下一个管段102。在管段102变成管柱104的部分后，顶部驱动器112可以再次支承管柱104，且滑块或支架130能够再次被释放。过程重复直至管柱104到达希望的长度。载荷板136允许管柱104被推入到井眼106内。如果顶部驱动器112的重量不足以将管柱104推入到井眼内，则线缆绞盘拉下机构138或液压缸组件144可以接附到顶部驱动器112，以通过顶部驱动器112和载荷板136施加另外的向下的力到管柱104。

管接合组件108希望地包括密封组件206以实现在驱动轴110和管柱104之间的压力和流体流动。这允许了从顶部驱动器112到在井眼106内的管柱104的密封的中心流体流动路径，而不需要移除管接合组件108。作为结果的流体可以被加压或不被加压，这取决于现场情况。在管柱104内提供填充能力允许了例如将流体添加到管柱104的环面同时将管柱104运行到井眼106内或一旦管柱104已运行到井眼106内则通过管柱104发生固井(cementing)的功能。这可以通过在管接合组件108上方放置水泥头(固井头)132发生。在将管柱104运行到井眼106内之前在此位置处放置水泥头132也防止了当管柱104终止在钻台134上方时发生的一些困难。另外，此放置允许了管柱104在井眼106内的垂直移动、旋转或扭转同时完成了固井操作。虽然在管接合组件108上方放置水泥头132的优点是显而易见的，但水泥头132仍可以安放在管接合组件108下方。

球和锥形槽组件114可以具有任何形状。然而，球和锥形槽组件114希望地是圆柱形的，具有一般地与管段102的中心线对齐的中心线。球和锥形槽组件114可以在管段102的外表面202(在图2A中示出)处或内表面204(在图2B中示出)处接合管段102，这取决于管段102的直径。为容纳不同的直径，球和锥形槽组件114希望地与其他的球和锥形槽组件可互换，这取决于特定的运行要求。一般地，较小直径的管段102将要求在外表面202处接合，且较大直径的管段102将要求在内表面204处接合。然而，球和锥形槽组件114的选择可以按现场情况的要求而变化。

球和锥形槽组件114是自接合的。即，它具有自激接合性。为接合管段102，球和锥形槽组件114使用了摩擦。如在图3中示出，多个球300一般地被包含在多个围绕球和锥形槽组件114布置的锥形槽302内。而一些锥形槽可以定向为大致垂直的对齐，其它的可以定向为大致水平的对齐或任何其他对齐。现在参考图4，锥形槽302具有至少一个展宽部分400和至少一个收缩部分402。锥形槽302可以具有任何形状，只要它们具有展宽部分400和收缩部分402。虽然图中示出了球形的球300，但球300也可以是细长的，类似于滚子，或球300可以是任何其他合适的形状。

球300由于重力和套筒412的重量典型地处于收缩部分402处。当球和锥形槽组件114在第一方向404上向管段102移动时，管段102的壁406将球300推向锥形槽302的展宽部分400(导致球300部分地以第一旋转414移动)，从而允许管段102的自由通过，如在图4A中示出。取决于管段102的直径，壁406可以对应于内表面204(在图2B中示出)或对应于外表面202(在图2A中示出)。当球和锥形槽组件114在第二方向408上移动时(导致球300以第二旋转416移动)，球300、锥形槽302和壁406之间的摩擦将完全地将球和锥形槽组件114与管段102接合，如在图4A中示出。

当球300在收缩部分402处时，在第二方向408上的作用在球和锥形槽组件114上的任何另外的力转化为在接触点410处的压缩力。然而，球300可以在接合期间仅施加小的敲击标记。这对于传统的滑块模具是非常困难的，所述模具将划伤管段102的接触表面。划伤的缺点是它造成了在管段102内的应力上升，这可能导致裂缝的传播。

锥形槽302可以具有允许球300沿多于一个轴线移动的形状。另外地，锥形槽302具有展宽部分400和收缩部分402。因为在任何给定的锥形槽302内存在多个可能的接触点410，所以球和锥形槽组件114的附着可能在多于一个方向上是有效的。取决于锥形槽302的形状，球和锥形槽组件114可以提供对于重力载荷的支承，防止在顺时针或逆时针方向上的相对旋转，或同时支承载荷且抵抗相对旋转。另外，球和锥形槽组件114可以允许一些向上的载荷被运行工具100抵抗。这可以通过使用故障保护锁定机构142和载荷板136完成。当将管柱104推入到井眼106内时，这是特别地有用的。为此，载荷板136可以允许向下的力传递到管柱104。另外，线缆绞盘拉下机构138或液压缸组件144可以接附到顶部驱动器112，以在运行工具100上施加另外的向下的力且促使管柱104到井眼106内。

球和锥形槽组件114可以具有静态和动态载荷承载能力。这允许球和锥形槽组件114当旋转且降低到井眼106内或从井眼106升起离开时承担管柱104的全部重量。球和锥形槽组件114能够抵抗涉及上紧和卸扣的转矩，从而允许管段102被添加到管柱104或从管柱104移除而不需要大钳。另外地，球和锥形槽组件114可以提供支承和/或防止在任何多个其他方向上的移动。

类似地，以至少两个方式完成了在多个方向上同时防止移动。多个单向球和锥形槽可以具有不同的定向。例如，一个球和锥形槽可以垂直地位于球和锥形槽组件114上，而另一个球和锥形槽可以水平地位于球和锥形槽组件114上。这允许每个球和锥形槽可以阻止在单个方向上的移动。作为另一种选择，单个球和锥形槽可以构造为防止在多个方向上的移动。如在图4C中示出，锥形槽302可以成形为具有多于一个收缩部分402。在图4C中示出的球和锥形槽组件114可以防止在至少两个方向上的移动。将图4A、图4B和图4C组合导致了多向的球和锥形槽，这可以防止在至少三个方向上的移动(向右转动、向左转动、和将球和锥形槽组件114向上拉动)。锥形槽302的形状可以以许多方式修改，这取决于期望的载荷方向，使用的材料，球300的半径，要附着的壁406的半径。例如，可以将伪穹顶形状用于锥形槽302。

为释放管段102和球和锥形槽组件114之间的接合可以使用套筒412(在图4A和图4B中示出)。套筒412配合在管段102和球和锥形槽组件114之间且由于重力伸长，从而允许管段102和球和锥形槽组件114之间的接合。当强制收回时，套筒412用于通过防止球和锥形槽组件114接合管段102而将球和锥形槽组件114分离。虽然球的接合是自激过程，但带有动力解锁的故障保护锁定机构142对于分离是希望的。因此，分离可以使用液压、气动或任何其他在现场容易获得的动力源进行。为防止过早分离，球和锥形槽组件114希望地具有故障保护锁定机构142，所述故障保护锁定机构142将套筒412保持在伸长的位置处直至希望分离时。

在分离前，球和锥形槽组件114可以略微在第一方向404上移动，使得在接触点410处的压缩力降低。套筒412然后可以更容易地在管段102和球和锥形槽组件114之间在第二方向408上移动，因此阻止球和锥形槽组件114抓握管段102。球和锥形槽组件114然后在第二方向408上从管柱104移动开。

虽然已经论述了运行工具100对于联接的使用，但应理解的是本领域一般技术人员可类似地以小改变而将运行工具100用于解除联接。另外，虽然披露了球和锥形槽组件114相对于管段102的移动，但管段102可以以相同的普遍结果相对于球和锥形槽组件114移动。

因此，本发明很好地适合于获得所提及的以及在此固有的目的和优点。以上所披露的特定的实施例仅是示意性的，因为本发明可以修改且实施为不同但等价的方式，对于从在本发明的教导受益的本领域一般技术人员而言，这些方式是显而易见的。此外，不意图于限制在此示出的而非在如下的权利要求中描述的构造或设计的细节。因此，明显的是以上所披露的特定的图示的实施例可以被改变或修改且所有这样的变化被视为在本发明的范围和精神内。在权利要求中的术语也具有其显明、普通的意义，除非另外地明确地且明显地通过专利权所有人限定。

Claims (29)

1.一种用于处理管段、将管段与管柱联接或分离且处理在井眼内的管柱的设备，包括：

可连接到顶部驱动器的驱动轴的管接合组件，该管接合组件具有尺寸设计为可释放地接合管段的自接合式球和锥形槽组件；

其中，当管接合组件连接到驱动轴且球和锥形槽组件接合管段时，驱动轴的旋转导致管段的相应的旋转，同时在管接合组件和管段之间具有最小的相对旋转。

2.根据权利要求1所述的设备，进一步包括具有驱动轴的顶部驱动器。

3.根据权利要求2所述的设备，其中顶部驱动器具有补偿器，使得在管段与管柱联接期间仅管段和驱动轴的重量作用在螺纹上。

4.根据权利要求1所述的设备，进一步包括外部补偿器组件，使得在管段与管柱联接期间仅管段和驱动轴的重量作用在螺纹上。

5.根据权利要求3所述的设备，进一步包括指示器以示出补偿器组件的位置。

6.根据权利要求4所述的设备，进一步包括指示器以示出补偿器组件的位置。

7.根据权利要求1所述的设备，其中管接合组件进一步包括入扣导向件以保证在管接合组件接合管时将管引向中心。

8.根据权利要求1所述的设备，其中管接合组件进一步包括密封件以维持驱动轴和管柱之间的压力和流体流动。

9.根据权利要求1所述的设备，其中球和锥形槽组件一般为圆柱形。

10.根据权利要求1所述的设备，其中球和锥形槽组件的尺寸允许它接合管段的内表面或外表面。

11.根据权利要求1所述的设备，其中球和锥形槽组件具有能够防止过早分离的故障保护锁定机构。

12.根据权利要求1所述的设备，其中球和锥形槽组件具有动力解锁以用于从管段分离。

13.根据权利要求1所述的设备，其中球和锥形槽组件可互换地与另外的球和锥形槽组件替换，该另外的球和锥形槽组件的尺寸设计为容纳不同的管直径。

14.根据权利要求1所述的设备，其中管接合组件能够抵抗在将管柱推入到井眼时涉及的压缩力。

15.根据权利要求1所述的设备，其中管接合组件能够抵抗在将管柱支承在井眼内时涉及的张力。

16.根据权利要求1所述的设备，其中管接合组件能够抵抗在管柱在井眼内旋转时涉及的转矩和将管段上紧和卸扣所要求的转矩。

17.根据权利要求16所述的设备，其中管接合组件能够同时抵抗压缩力。

18.根据权利要求16所述的设备，其中管接合组件能够同时抵抗张力。

19.根据权利要求1所述的设备，其中操纵器臂将管段在输送系统和井眼之间导向。

20.根据权利要求1所述的设备，其中升降机提升机构、操纵器臂和升降机连杆将管段提升直至它在井眼上方对齐。

21.根据权利要求1所述的设备，其中管段可以在从管柱移除后导向回到输送系统。

22.根据权利要求20所述的设备，其中升降机提升机构具有两个铰接门，当处理管段时使用锁定安全机构开启和关闭所述铰接门。

23.一种用于处理管段、将管段与管柱联接或分离且处理在井眼内的管柱的设备，包括：

具有驱动轴和补偿器的顶部驱动器，使得在管段与管柱联接期间仅管段和驱动轴的重量作用在螺纹上；

可连接到顶部驱动器的驱动轴的管接合组件，管接合组件具有：可互换的圆柱形自接合式球和锥形槽组件，所述球和锥形槽组件带有液压或气动系统控制的动力解锁，和故障保护锁定机构，所述球和锥形槽组件的尺寸设计为可释放地接合管段的表面和密封件以维持在驱动轴和管柱之间的压力和流体流动；和

入扣导向件，以保证在管接合组件接合管时将管引向中心；

其中，当管接合组件连接到驱动轴且球和锥形槽组件接合管段时，驱动轴的旋转导致管段的相应的旋转，同时在管接合组件和管段之间具有最小的相对旋转，且管接合组件能够抵抗在管柱操作期间涉及的压缩力、张力和转矩。

24.一种用于将管段与管柱联接的方法，包括如下步骤：

提供管段；

提供具有驱动轴的顶部驱动器；

提供可连接到顶部驱动器的驱动轴的管接合组件，所述管接合组件具有尺寸设计为可释放地接合管段的自接合式球和锥形槽组件；

将管接合组件连接到驱动轴；

使用球和锥形槽组件将管接合组件连接到管段；

将管段在井上方引向中心；

提供管柱；

将顶部驱动器降低以使得管段与管柱接触；和

旋转驱动轴，使得管段接合管柱。

25.根据权利要求24所述的方法，其中管接合组件也具有补偿器以最小化施加到管段的螺纹上的重量，且具有操纵器组件以将管导向为与管柱对齐或将管段导向回到输送系统以用于放下的目的。

26.一种用于将管段与管柱分离的方法，该方法包括如下步骤：

提供包括管段的管柱；

提供具有驱动轴的顶部驱动器；

提供可连接到顶部驱动器的驱动轴的管接合组件，所述管接合组件具有尺寸设计为可释放地接合管段的自接合式球和锥形槽组件；

将管接合组件连接到驱动轴；

将顶部驱动器降低以使得管接合组件与管柱的管段接触；

使用球和锥形槽组件将管接合组件连接到管段；和

旋转驱动轴，使得管段与管柱分离。

27.根据权利要求26所述的方法，其中管接合组件也具有补偿器以最小化施加到管段的螺纹的重量，且具有操纵器组件以将管导向为与管柱对齐或将管段导向回到输送系统以用于放下的目的。

28.一种用于处理管段的设备，包括：

具有尺寸设计为可释放地接合管段的自接合式球和锥形槽组件的管接合组件；

其中球和锥形槽组件包括位于多个单向锥形槽内的多个球，其中多个单向锥形槽定向在至少两个不同的方向上。

29.一种用于处理管段的设备，包括：

具有尺寸设计为可释放地接合管段的自接合式球和锥形槽组件的管接合组件；

其中球和锥形槽组件包括位于多个多向锥形槽内的多个球。

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