CN102046914B - 在井的建造和维护期间便于钻井泥浆连续循环的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在井的建造和维护期间便于钻井泥浆连续循环的方法，该方法包括以下步骤：使连续循环工具(100)的壳体(102)运动到接头(10)，该接头具有贯穿其中的孔(14)，该接头处于与井中管状物柱的连接中或者用于与井中的管状物柱连接，并且该接头选择性地允许钻井泥浆在壳体(102)和接头(10)的侧开口(13)之间流动，连续循环工具(100)还包括闭合设备(40)，致动闭合机构(41、44)以将闭合设备(40)的闭合构件(42)插入通过接头(10)中的侧开口(13)，从而隔断通过至少一部分孔(14)的钻井流体。本发明还公开了一种用于使井筒作业连续循环的系统，该系统包括：连续循环工具(100)，该连续循环工具可布置成与井筒管状物柱流体连通，该井筒管状物柱在其中包括接头(10)，连续循环工具(100)用于选择性地关闭流至井眼管状物柱的流动；和邻近接头的管状物操纵设备(202)，管状物操纵设备包括动力大钳、多个大钳、大钳和背钳、大钳和旋转扳手、以及铁钻工中的一种。
Description
技术领域
本发明涉及一种在井的(优选但不限于油井或气井)的建造和维护期间便于钻井泥浆连续循环的方法和装置。本发明还涉及一种用于使井筒作业连续循环的系统。
背景技术
在油井或气井的建造中，钻出井眼。钻头布置在钻柱的端部并且被旋转以钻出井眼。通常称为“钻井泥浆”的钻井流体被泵送通过钻柱到达钻头以润滑钻头。钻井泥浆还用于将由钻头产生的切屑和其它固体颗粒通过在钻柱与井眼和/或嵌衬井眼的套管之间形成的环形空间带到地面。钻柱通常由很多段带螺纹的钻杆构成。
在现有技术的方法中，利用钻井钻机钻出井眼的方法是使用连接至钻柱的顶部连接头的具有方形或者其它多边形横截面的方钻杆，所述方钻杆用来使钻柱转动。在钻台处的转盘使方钻杆转动，而同时方钻杆可通过钻机底座处的转盘内的方钻杆补心竖直地运动。在现有技术的另一种方法中，顶部驱动钻井单元悬挂在井架夹具中并使钻柱转动，而不使用方钻杆。重要的是能够控制与地层压力有关的井眼压力。在某些情况下，钻井人员可认为需要欠平衡钻井，其中施加在暴露于井筒中的地层上的压力低于所述地层的内部流体压力。因此，如果存在足够大的孔隙率和渗透性，地层流体会进入井筒中。钻孔速度通常随着接近欠平衡条件而增加。然而，钻井人员可认为需要过平衡钻井，其中井筒中的压力量超过了地层中的流体压力。尤其需要这种过量压力以阻止油藏流体(油、气或水)进入井筒。然而，过量的过平衡通过有效地加固靠近井筒的岩层和限制钻头下方的切屑的移除来显著地减缓钻井过程。此外，与钻井泥浆的性质差有关的很高的过平衡压力可能引起压差卡钻问题。由于储层压力在一个地层到另一个地层之间存在变化，虽然钻井泥浆具有相对恒定的密度，过平衡仍然在一个产层到另一个产层之间存在变化。钻井人员能够通过使用加重剂增大或减小钻井泥浆的密度来改变钻井泥浆的密度而将钻井条件从欠平衡改变成过平衡。
如果不能正确地控制井中的压力，就不能使钻井速度最大化。在最坏的情况下，井可能由于井眼中的压力不足而坍塌。当钻进通过特定类型的地层时，更可能发生这种情况。
在过去，在接装或拆下钻杆单根或立根期间，停止钻井流体的循环。在上扣或卸扣过程中，注入阀或泥浆防溅盒阀用来控制钻柱中的压力。然而，阀不得不每次被连接和断开。因此，存在不连续的循环，尽管在井中保持充分的压力，但是仍应注意压力变化脉冲。钻井流体的循环对于保持稳定的井下压力和稳定的且接近恒定的当量循环密度来说可能是非常关键的。往往当将钻柱下入井中或者从井中起出时，钻井流体连续循环的缺乏可能导致井内的压力变化，这增加了发生不期望的“溢流”的可能性。井筒中的套管段的连接存在类似的与循环流体有关的问题。
通常优选的是将钻出的切屑保持悬浮在钻井流体中，以便于将切屑从钻头移走并防止它们向下落回到井筒中。钻井泥浆循环的停止可能导致切屑下沉。为了解决这个问题，在现有技术的很多系统中，尝试使用额外的流体加重剂，这往往增加流体的粘度。这导致在地面处需要更大的泵送功率以使更稠的流体运动，但是泵送力的增加可能导致井筒内过压，该过压可能引起地层破坏或流体流失。
已经开发出一种连续循环系统，并且在PCT公开WO 98/16716中公开了这种连续循环系统，该连续循环系统允许在将管与管柱进行上扣和卸扣的整个过程中进行钻井泥浆循环。WO 98/16716尤其公开了用一组上部半封闸板(pipe ram)绕将要连接至管柱的管单根或立根进行施加和密封，用一组下部半封闸板绕井内的管柱顶部处的管进行施加和密封从而在它们之间形成一腔室，和使用全封闸板来密封位于将要连接的管的端部公扣和管柱顶部处的管的母扣之间的腔室从而形成上部腔室和下部腔室。钻井泥浆入口布置在位于全封闸板组和下部半封闸板组之间的下部腔室内。钻井泥浆源也被连通到要连接的管的顶端部，从而形成连通，下部半封闸板被致动并且绕井筒内的管柱的顶端部进行密封，并且全封闸板被致动以便绕钻柱的顶部形成下部腔室。钻井泥浆被允许流入下部腔室中并循环到钻柱的顶部。钻井泥浆流经钻柱到达钻头并通过由钻柱和井眼形成的环形空间返回。钻井泥浆通过泥浆振动筛、离心分离机和类似装置进行处理，以从钻井泥浆去除切屑，需要时加入添加剂，然后被循环到下部腔室。同时，管单根或立根被下放到连续循环系统的顶部。上部半封闸板被致动以绕管进行密封。管单根或立根的上端部被附接至钻井泥浆源，钻井泥浆通过阀门的致动流入上部腔室。现在上部腔室和下部腔室中的压力基本相等。全封闸板被打开并且管单根或立根的公扣端部被插入管柱顶端部的母扣中，并且被旋转和扭转来形成连接。腔室中的钻井泥浆可被排出并且上部和下部半封闸板被打开以允许管柱和已添加的管单根或立根下放到井中。因此在形成连接和脱开连接的同时，循环连续通过管柱和环形空间。
已经对连续循环系统做出了各种改进，包括在钻井的同时进行连续循环。这允许钻柱连续转动从而允许在将管单根或立根连接至管柱或者将管单根或立根与管柱分离的同时连续钻井。这对于用钻杆钻井或者用套管钻井来说是有用的。
2003年12月4日公开的美国公开的专利申请公开2003-0221519(于2003年3月5日提交的USSN 382080)公开了一种设备，该设备允许在钻井作业期间将管状物段连接至管柱或者将管状物段与管柱分离。该设备还允许钻杆段在连接或分离操作过程中转动和轴向移动。该设备还允许在上扣或卸扣过程中流体连续循环流至管柱并通过管柱。该设备限定出钻井组件，该钻井组件包括：顶部驱动机构、旋转驱动机构、和流体循环装置。管状物柱的旋转和轴向运动交替地由顶部驱动器和旋转驱动器提供。另外，流入管状物柱的连续流体通过循环装置提供，并且一旦在连接至顶部驱动机构的上部管状物与管柱之间形成连接时，连续流体交替地流动通过管状物段。该申请还公开一种在连续钻井的同时将上部管状物连接至管状物柱的顶部管状物的方法，该方法包括以下步骤：操作旋转驱动器以便在井眼中提供管状物柱的旋转运动和轴向运动；将上部管状物放置在管状物柱的顶部管状物上方，该上部管状物被构造成具有连接至顶部管状物的顶部螺纹端部的底部螺纹端部；改变上部管状物和顶部管状物之间的相对速度，以使上部管状物的底部螺纹端部与顶部管状物的顶部螺纹端部螺纹配合，以使得上部管状物成为管状物柱的一部分；释放管状物柱与旋转驱动器的接合；和操作顶部驱动器以提供管状物柱在井筒中的旋转运动和轴向运动。
在某些现有技术的系统中，顶部驱动器用于钻井，钻杆立根(例如，27m(90英尺)的立根包括由三根钻杆相互连接而成的杆件)被螺纹连接至保护接头并且位于保护接头下方。保护接头连接至顶部驱动钻井单元的部件，一旦钻井已经向下钻进到立根长度的程度，保护接头就已经进入连续流体循环系统的腔室中并且位于连续流体循环系统的腔室内。为了用这种类型的现有技术系统来添加新的立根，断开流体循环系统中的连通，顶部驱动钻井单元被升高，随同该顶部驱动钻井单元的是，保护接头也被升高并且从连续循环系统的顶部退出。然后，为了连接新的钻杆立根，在一些现有技术的方法中，顶部驱动钻井单元的一部分(例如，升降装置)运动远离井筒。通常升降装置与顶部驱动钻井单元相关联，但是这种升降装置通常不能用来接纳和支承该新的立根，这是因为保护接头会干扰该操作。
在很多情况下，当顶部驱动钻井单元被升起时，希望向后扩孔以便在顶部驱动钻井单元被升起时使流体循环并将钻杆柱从孔(井筒)中旋转出来，例如，使井眼平滑并防止形成键槽(keyseat)。
这些钻井系统的另一个问题是希望尽可能使用每根新钻杆立根向下钻进；但是悬挂在顶部驱动钻井单元下方的部件和设备(例如升降装置)阻止顶部驱动钻井单元的进一步向下行进，除非它们运动远离井筒的中心线，以使得当顶部驱动钻井单元的保护接头进入连续循环系统(且顶部驱动器接近连续循环系统)时，顶部驱动钻井单元可继续使钻柱转动。通常，升降装置沿一个方向远离井筒中心线运动(并且使用仅通向一侧的现有技术的升降装置)。
有多种已知的连续循环系统；例如但不限于下列美国专利和申请中提出的示例性系统及其部件：7,350,587；7,107,875；6,412,554；6,315,051；6,591,916；3,298,385；1,491,986；和于2006年6月9日提交的美国专利申请11/449,662。
有多种已知的井筒、接头、连续循环系统以及相关部件，包括例如在下述美国专利中公开的内容：2,102,555；2,158,356；4,310,050；4,448,267；4,646,844；6,253,861；6,688,394；6,739,397；7,028,787；7,134,489；和7,281,582；和在2002年10月31日公开的美国专利申请公开2002/0157838和在2006年11月6日公开的美国专利申请2006/0254822中公开的内容，所有这些专利和专利申请为所有目的完全结合入本文。
多种现有的系统具有与它们的用途相关的很多缺点和问题；例如在一些现有的系统中，接头内部的阀被送到井下，在该处它们容易受到磨损和破坏。要在接头下方定位在井筒中的很多部件(例如，打捞工具、测井仪器、井下工具等等)在直径上被限制成具有能通过该接头的直径。在某些方面，接头的阀座部分具有相对小的直径，该相对小的直径限制了可插入通过该接头的部件的尺寸。
“铁钻工”将扭矩扳手和旋转扳手结合，以用于在将管状物柱下入井内或从井中起出时连接和分离例如钻井部件(例如钻杆)的管状物。例如在下述美国专利中示出了现有技术的铁钻工：4,023,449；4,348,920；4,765,401；6,776,070；7,062,991；7,188,547；和7,313,986，上述所有专利的全部内容通过引用结合入本文。某些现有技术的铁钻工具有一起安装在滑座上的旋转扳手和扭矩扳手。为了在两根管状物(例如钻杆的连接)之间形成螺纹连接或者脱开螺纹连接，某些铁钻工包括具有两个爪子平面的扭矩扳手。扭转扳手的上部爪子用来夹紧在上部管状物的一部分上，而下部爪子夹紧在下部管状物的一部分上，例如，钻杆的上螺纹连接部和下螺纹连接部。在夹紧在管状物上时，上部爪子和下部爪子彼此相对转动来脱开或形成上部管状物和下部管状物之间的连接。旋转扳手安装在扭矩扳手上方的滑座上，该旋转扳手接合上部管状物并使上部管状物旋转，直至该上部管状物与下管状物分离(或者在连接操作中，在通过扭矩扳手形成最终上扣之前使两根管状物旋转)。
某些铁钻工安装用于从井筒中心运动到收回位置，在收回位置不会干涉或妨碍执行与井以及转动或驱动设备有关的其它操作。这种现有技术的系统可用于形成和脱开主柱中的连接，或者用于例如在井侧部处的鼠洞(鼠穴)中与井筒中心间隔开定位的管状物段连接或者与该管状物段脱开连接。
某些现有技术的铁钻工系统包括用于沿着预定路径在钻机底座表面上滚动的架。在某些现有技术的系统中，旋扣器和扭矩扳手安装用于相对该架上下运动，以用于与管状物正确接合，和用于在旋扣器和扭矩扳手的轴线完全竖直地延伸以与竖直井管接合的位置和旋扣器和扭矩扳手的轴线布置成与纯竖直线成微小角度以在倾斜鼠洞中接合管和对管起作用的位置之间进行倾斜运动。在某些现有技术的系统中，旋扣器可相对于扭矩扳手竖直运动。
有用于井筒操作中的很多种已知的扭矩扳手和大钳，例如但不限于在下述美国专利中公开的和提到的那些扭矩扳手和大钳：3,892,140；4,221,269；4,425,827；4,446,761；6,684,737；6,971,283；5,161,438；5,159,860；5,842,390；5,245,877；5,259,275；5,390,568；4,346,629；5,044,232；5,081,888；5,167,173；5,207,128；5,409,280；5,868,045；6,966,385；6,138,529；4,082,017；6,082,224；6,213,216；6,330,911；6,668,684；6,752,044；6,318,214；6,142,041；6,253,845；和7,000,502。
发明内容
根据本发明，提供一种在井的建造和维护期间便于钻井泥浆连续循环的方法。该方法包括以下步骤：将连续循环工具的壳体运动到接头中，该接头具有贯穿其中的孔，该接头处于与井中的管状物柱连接中或者用于与井中的管状物柱连接，并且该接头选择性地允许钻井泥浆在壳体与接头的侧开口之间流动，连续循环工具还包括闭合设备，致动闭合机构以将闭合设备的闭合构件插入通过接头中的侧开口，从而隔断通过至少一部分孔的钻井流体。优选地，闭合机构以与钻井流体的通过接头孔的流动方向成一角度的方式施加闭合构件，该角度不是直角，优选在5°至89°之间，更优选在45°至89°之间。优选地，闭合构件具有基本平坦的表面，该表面防止流体流动通过孔。
优选地，钻井泥浆流入井中的流动通过闭合构件从壳体导出。有利的是，闭合设备包括通道，该通道用于引导钻井泥浆通过闭合构件流至接头的孔或从该接头的孔流出。闭合构件上方的孔中的流体可通过通道排出并返回到工作泥浆回收系统(ARS)或者在返回到该工作泥浆回收系统之前对流体进行处理，以从该流体中除去固体和其它污染物。
优选地，该方法还包括在将闭合构件插入通过侧开口之前将塞子从侧开口移走的步骤。有利的是，移走塞子的步骤通过将插入器插入该塞子以便于移走塞子来执行。优选地，插入器被插在至少两个构件之间，以使该至少两个构件运动分开，从而允许将塞子从侧开口移走。优选地，接头还包括：与侧开口连通的两个间隔开的侧开口凹槽；和包括一个或两个爪(dog)的固定机构，所述一个爪或每个爪可选择性地运动进出两个间隔开的侧开口凹槽中的一个。有利的是，该方法还包括致动塞子运动装置以移走和更换塞子的步骤。优选地，该方法还包括下述步骤通过侧开口将闭合构件从孔移走和更换塞子。优选地，接头是管状物(比如钻杆)的立根。有利的是，一旦更换好塞子，接头在管状物柱中被送入井下。
有利的是，闭合机构包括至少一个可选择性伸展的可伸展构件。优选地，该闭合机构包括动力驱动的可伸展构件。有利的是，动力驱动的可伸展构件是下述部件中的至少一个：液压致动的活塞和缸体；气压致动的活塞和缸体；齿条与小齿轮；和线性致动器。优选地，可伸展构件具有第一端部和第二端部，动力驱动的可伸展构件具有近端部和远端部，该第一端部包括闭合构件，第二端部可动地附接至远端部，而近端部附接至壳体。优选地，动力驱动的可伸展构件的近端部在销上附接至壳体，其中可伸展构件可在该销上运动。替代地，也可以使用球窝连接。优选地，可伸展构件的至少一部分位于连续循环工具的壳体内部，而其它部分位于壳体的外部。有利的是，可伸展构件以可转动的密封方式穿过壳体。有利的是，动力驱动的可伸展构件位于壳体的外部。
优选地，接头包括台肩，该方法包括将闭合构件抵靠台肩的步骤。优选地，在闭合构件和台肩之间形成密封。有利的是，孔在邻近侧开口的区域中具有直径加大的区域，该台肩由位于该区域和孔之间的过渡区域形成。
有利的是，连续循环工具布置在臂上，用于便于连续循环工具运动至接头和离开接头。优选地，该臂的另一端部被安装在连接至钻台的立柱上。
有利的是，管状物操纵设备布置在连续循环工具上方。该方法包括使用管状物操纵设备以便于连接接头与管状物的步骤，该管状物优选为管状物单根或由两根、三根或更多管状物构成的管状物立根。管状物可以是钻杆、工具管、套管、尾管、特种管状物或者任何用于与管状物柱连接的工具或井下工具。优选地，管状物操纵设备布置在臂上。优选地，连续循环工具优选与大钳设备一致地运动。有利的是，管状物操纵设备是下述设备中的至少一种：动力大钳、背钳、钻杆旋接器、旋转扳手和铁钻工。
本发明还提供一种用于执行本发明的方法的设备，该设备包括用于在管状物柱中进行连接的接头和连续循环工具，该接头包括主体和侧开口，所述主体具有贯穿其中的孔，该连续循环工具包括壳体和闭合设备，所述壳体与侧开口流体连通，所述闭合设备包括闭合机构和闭合构件，该闭合构件可选择性地插入侧开口和从该侧开口移走，以选择性地隔断钻井流体通过至少一部分孔的流动。
在权利要求19至23中和上述内容中提出了用于执行本发明方法的设备的有利的和优选的特征。
本发明还提供一种用于使井筒操作连续循环的系统，该系统包括：连续循环工具，该连续循环工具可布置成与井筒管状物柱流体连通，该井筒管状物在其中包括接头，该连续循环工具用于选择性地断开流至井筒管状物柱的流动；邻近接头的管状物操纵设备，该管状物操纵设备包括大钳、多个大钳、大钳和背钳、大钳和旋转扳手、以及铁钻工中的一种。优选地，该接头具有侧开口。有利的是，连续循环工具布置在臂上。
在多个方面中，本发明公开了一种系统，该系统包括管状物操纵设备(例如大钳或多个大钳、大钳和背钳、大钳和旋扣器、或铁钻工)和连续循环设备。在某些这样的系统中，连续循环设备安装在铁钻工的下方并且可随铁钻工朝向管状物操纵设备伸展，例如，朝向和远离管状物或管状物柱和/或朝向和远离井中心。
接头允许钻井流体连续循环，连续循环工具提供选择性地打开接头侧开口和选择性地阻止流体从接头的顶部流到接头和通过接头，而流体可从接头的侧部向下流动进入接头下方的管状物柱；任何这种系统和方法可以与管状物操纵设备一起使用，所述管状物操纵设备例如但不限于：大钳、多个大钳、大钳和背钳、大钳和旋扣器、或铁钻工。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在将参考附图通过举例方式进行描述，附图中：
图1A是根据本发明的设备的透视图，该设备包括接头和连续循环工具；
图1B图1A所示设备的侧剖视图；
图2A是图1A所示设备在第一操作步骤中的俯视剖视图；
图2B是设备的一部分在图2A所示步骤中的放大图；
图3A是图1A所示设备在第二操作步骤中的俯视剖视图；
图3B是设备的一部分在图3A所示步骤中的放大图；
图3C是图1A所示接头部分的剖视图；
图3D是图1A所示接头部分的剖视图；
图4A是图1A所示设备在第三操作步骤中的俯视剖视图；
图4B是设备的一部分在图4A所示步骤中的放大图；
图5是图1A所示设备在第四操作步骤中的侧剖视图；
图6是图1A所示设备在第五操作步骤中的侧剖视图；
图7是图1A所示设备在第五操作步骤中的侧剖视图；
图8是图1A所示设备在第六操作步骤中的侧剖视图；
图9是图1A所示设备在第七操作步骤中的侧剖视图；
图10是所述设备的一部分在图9所示步骤中的放大图；
图10A是如图10所示部分的剖视图，其中闭合构件已就位；
图11A示出了根据本发明的设备的侧视图，该设备包括铁钻工；
图11B是图11A所示设备位于展开位置时的侧视图；
图11C是图11B所示设备的透视图；
图11D是图11B所示设备的透视图，其中铁钻工已移走；
图12A是根据本发明的设备位于非扩展的“停靠”位置时的顶部示意图；
图12B是使用图12A所示设备的方法的第一步骤的俯视图；
图12C是使用图12A所示设备的方法的第二步骤的俯视图；
图12D是使用图12A所示设备的方法的第三步骤的俯视图；
图13A是图12A所示设备的一部分在第一操作步骤的透视图；
图13B是如图12A所示设备的一部分在第二操作步骤的透视图。
具体实施方式
图1A和1B示出了用于使钻井泥浆在井筒中连续循环的设备1，该设备1包括接头10和连续循环工具100。接头10具有主体12，该主体12具有从顶部到底部的流动孔14、带螺纹的公扣端部16和带螺纹的母扣端部18。接头10连接至管状物柱TS(图1B中示意性示出了部件TS1和TS2；例如从钻机或平台上向下延伸到地层的钻杆柱)。连续循环工具100具有壳体102。
塞子设备20可移除地固定在接头10的主体12的开口13中。当固定就位时，塞子设备20防止流体流动通过开口13(例如，参见图1B、2B、3B)。塞子运动装置15(如在图1A和图1B中示意性示出的)选择性地致动塞子设备20并使塞子设备20运动。控制系统17控制塞子设备20和闭合设备40(如下文所述)。控制系统17在某些方面针对用于系统的控制器类型；例如但不限于，控制系统可包括：操作塞子设备20和闭合设备40的手动液压阀系统的控制器；电液控制系统；和机械控制系统。在某些方面，控制系统可利用操控闭合设备40、塞子设备20和其它系统部件的线性运动装置(液压、气动和电动)。该设备可通过手动和/或经由计算机系统起作用。任何这样的控制系统可具有一台或多台计算机、可编程序逻辑控制器(PLC)和/或单板计算机。
如图1B和图2A所示，塞子运动装置15使插入器结构19朝向塞子设备20运动和远离塞子设备20运动。该插入器结构19具有主体19a和带有尖端19c的插入器19b。
塞子设备20包括具有凹入主体部21a的塞子21，该凹入主体部21a没有伸入孔14中的部分(该部分从与其平齐的内孔表面凹进)。密封件22(例如，由橡胶或任何合适的密封材料制成)密封开口13/塞子设备20的接合部。防挤出钢制装置23位于这些密封件的每侧上，并且在向这些密封件施加压力时帮助这些密封件保持就位。推压塞子21的流体压力推压在钢制装置23上，而该钢制装置又推压在密封件22上以增强开口13/塞子设备20接合部处的密封性。在一个方面，塞子21的外表面与孔的内表面平齐(即，塞子外表面的曲率与孔内表面的曲率相匹配)。
两个隔开的锁定爪24可动地进出相应侧的开口凹槽13a。通过使锁定爪24处于凹槽13a内，塞子设备20被固定就位。利用爪运动装置25将锁定爪24从凹槽13a缩回会释放塞子设备20，以使得塞子设备可从开口13移出(如图4A、图4B、图5所示)。
塞子21具有外部件21o和带孔件21b，该带孔件21b具有插入器19b可穿过其中的孔21r。止动销21c将塞子的部件保持在一起。
闭合设备40具有将在下文中详细描述的闭合结构42。
如图4A和4B所示，插入器结构19已经运动，使得带有尖端19c的插入器19b致动爪运动装置25，从而将锁定爪24从凹槽13a缩回。插入器结构19可相对于塞子设备20运动。通过使塞子设备20脱离连续循环接头10的主体12，如图5所示，塞子运动装置15可将塞子设备20从开口13中移走。
如图6所示，塞子设备20通过塞子运动装置15转动离开开口13，以及如图7所示，塞子设备20例如已经从图5所示的位置转动大约90度而转出开口13位置并且已经缩回，以使得塞子设备的一部分位于连续循环系统100的壳体102的腔室102a中。在将塞子设备20从开口13(例如参考图5)移走之后，流体可流动通过开口13进入连续循环接头10的主体12的孔14内。
开口13提供通向孔14的通路，以使得闭合结构42可运动就位，从而切断通过孔14的流动。如图8所示，闭合设备40已经被致动并已经使轴41朝开口13运动(可伸展轴，例如可伸缩轴或其它可伸展的轴)，以使得闭合结构42穿过开口13。活塞/缸体组件44的活塞43回缩以实现轴41的运动。轴41在主体44的孔44a内运动。孔44a与壳体102的内部连通。该轴41/主体44的接合部由密封件45密封，主体44的端部44e被密封地固定在壳体102的开口102b中的密封件45上。轴41的端部41e被固定至枢转构件46，该枢转构件46可枢转地连接至活塞/缸体组件44的端部44g。活塞/缸体组件44的另一端部44f可枢转地连接至壳体102上。闭合结构42安装至轴41或者与轴41一体形成以便随轴41一起转动。如图1B示意性示出的，转动机构49通过使闭合设备42的轴41转动来使闭合设备42转动。
如图9所示，闭合设备42已经被转动并且活塞和缸体44缩回以使闭合设备42沿着孔14的内壁滑动而坐靠在接头10的主体12的台肩12s上。在这个步骤中，轴41稍微改变了角度，这通过可运动的密封件45进行调节。
在本发明的范围内的是，轴41(及其部分或部件)是实心的，以使得可以没有流体流动通过轴41。可选地，轴41具有从一端部贯穿到另一端部的孔41r；轴41通过顶端部开口41t，经由枢转构件46上的端口46p以及管路51而与储存器系统50或钻机泥浆系统(例如，类似于图1A的系统ARS)流体连通。阀设备52选择性地控制管路51内的流动。任何合适的控制系统，包括但不限于控制系统17，可控制阀设备52。进入连续循环接头10顶部的任何流体(例如，钻井流体)被排放至储存器50。
任何合适的密封件或密封结构可用来使闭合设备42密封抵靠连续循环接头10的主体12的台肩12s。可选地，如图9和图10所示，可以使用受压自紧密封设备54，该受压自紧密封设备包括密封构件56(例如，由橡胶或任何合适的密封材料制成)，在该密封构件的顶部上的是硬构件57(例如，由金属、钢材、硬塑料、复合物等制成)。作用在硬构件47上的流体压力加压并由此使密封构件56受压自紧。卡环59将硬构件57和密封构件56保持就位。可选地，如图10A所示，闭合构件(比如塞子、密封件、或阀构件60)可被定位成密封抵靠在接头10的主体12的密封座62上，以使得在主体12内提供两道屏障。构件60可从上方插入或者通过侧开口插入。
对于流体向下进入井筒WB(如图1B示意性示出的)的连续循环，例如，当希望在接头10上方添加一新的管件或者管立根时，将塞子21从开口13移走，于是(其中塞子21已经移出来并且闭合设备42位于如图9所示的位置)流体由在工作钻机泥浆系统ARS(如图1A示意性示出的)经由通道11a泵送到系统100的壳体102内，流经开口13和井筒WB中的向下孔眼，从而提供连续循环。
利用大钳(“大钳”包括多个大钳和旋扣器)、利用大钳或者利用铁钻工来将根据本发明的设备(例如，如设备1)与根据本发明的接头(例如，如接头10)相结合尤其在本发明的范围内。在一个方面，根据本发明的系统具有独立的支承件和独立的运动设备，用于使系统相对于管状物或管状物柱、以及相对于大钳、多个大钳或铁钻工运动。在其它方面，根据本发明的系统由支承大钳、多个大钳或铁钻工的同一支承件或框架支承，而连接至支承件或框架的伸展设备使根据本发明的系统随着铁钻工运动或者相对于铁钻工独立运动。
如图11A和11B示意性示出的，根据本发明的系统200具有用于操作管状物的操纵设备202(可以是任何这种设备，包括但不限于，大钳、多个大钳、大钳和背钳、大钳和旋转扳手或旋扣器、或者铁钻工)，在一个特定方面，该操纵设备是具有伸展设备204(如图11B示意性示出的)的铁钻工(任何合适的已知铁钻工系统或设备)，该伸展设备204用于相对支承框架206伸展和缩回设备202。
根据本发明的连续循环设备100a(类似于本文所述的连续循环设备100，但并不局限于此)连接至伸展设备210，用于相对于框架206伸展和缩回连续循环设备100a。管路设备220与连续循环设备100a连通，并且与工作钻机泥浆系统(例如，类似于图1A所示的系统ARS)连通。
接头10a(例如，类似于上文所述的接头10)与系统200一起使用。该接头10a被连接至向下延伸到井筒中的柱SG。
如图11B和11C所示，铁钻工202和连续循环设备100a已经朝向接头10a运动并且于是邻近接头10a。连续循环设备100a被操作地联接至铁钻工202，所述铁钻工202布置成在接头10a上方操作管状物。铁钻工202可与连续循环设备100a一起运动或者独立于该连续循环设备110a运动。
图12A至12D示出了系统300的延长使连续循环设备100b(类似于连续循环设备100a或连续循环设备100)运动的各个步骤。连接至支承框架、箱形段或工字梁228的延长装置230具有后臂232，该后臂232在一个端部可枢转地连接至框架228，并且在另一端部连接至前臂236。前臂236可枢转地连接至连续循环设备100b。管道设备250将连续循环设备100b连接至泥浆系统。支承框架228(如框架206)可支承连续循环设备100b和铁钻工或一个或多个大钳和一个或多个旋扣器。连续循环设备100b可通过单独的运动系统100c(如图12A示意性示出的)运动，或者连续循环设备100b可被选择性地连接至铁钻工并随着铁钻工的运动而运动。通过使锁销238(如下文所述)接合，臂232不能运动，而臂236可运动。
锁销238通过弹簧234的力而保持与框架228上的闭锁构件238m接合的锁销接合位置，以防止当连续循环设备100b处于“停靠”位置时后臂232运动。锁销238的一个端部可枢转地连接至后臂232，而另一端部可枢转地连接至连杆构件240，该连杆构件连接至臂236。弹簧234位于连杆构件240上。在使臂236运动以前，在锁销238接合时，防止臂232运动，并且弹簧234迫使端部杆240a朝向锁销238。
如图12C所示，锁销已脱开，连续循环设备100b已经开始其朝向井入口的运动。连续循环设备100b的连续行进如图12C所示。
图12D示出了伸展设备230完全伸展，并且连续循环设备100b在井中心处与接头10b(类似于接头10a；类似于接头10)接合。
经由如图12A示意性示出的选择性连接设备100d，连续循环设备100b被选择性地连接至布置在系统100b上方的铁钻工(例如，类似图11A中的铁钻工202)。任何合适的一个或多个连接设备可用在连续循环设备100b和铁钻工之间，所述一个或多个连接设备例如但不限于：一个或多个锁销；选择性伸出的销和/或活塞，所述销和/或活塞从连续循环设备100b和铁钻工中的一个伸出到另一个中的相应孔和/或凹槽中；磁性装置；一个或多个辊子，所述一个或多个辊子在连续循环设备100b和铁钻工其中之一上并且选择性地移动到其中另一个上的相应槽中；和/或可释放的协作紧固材料。
图13A和13B示出了锁销238的操作。弹簧234施加闭锁力以将锁销保持在闭合的、接合的“停靠”位置(如图12A和13B所示)。如图13A(以及图12B)所示，通过锁销脱开，臂232可运动。
管道设备250随着系统100b伸展和缩回。管道设备250包括密封的、可枢转地连接的管道252、254以及与泥浆系统流体连通的流体管线256。
因此，本发明在一些但不必是全部的实施例中提供一种用于使井筒作业连续循环的系统，该系统包括接头系统，所述接头系统具有可布置成与井筒管状物柱流体连通的接头，该接头具有：主体，该主体大体呈圆柱形，并且该主体具有第一端部、第二端部和外表面，第二端部可连接至井筒管状物柱；从第一端部穿过主体到第二端部的孔，该孔具有由主体的内表面限定的内边界，该孔可布置成与井筒管状物柱流体连通；主体中的侧开口，该侧开口从主体的外表面延伸到内表面；并且接头系统还包括闭合设备，该闭合设备具有与接头主体的侧开口流体连通的壳体，闭合设备包括位于主体外部的闭合机构，该闭合机构包括位于壳体内并且可选择地插入侧开口中和可从主体的孔中移走的闭合构件，该闭合构件可运动以选择性地关闭来自主体第一端部的流动。这种系统可以按照任意可能的组合方式具有下述特征中的一个或一些：邻近接头系统的管状物操纵设备；其中管状物操纵设备可以是大钳、多个大钳、大钳和背钳、大钳和旋转扳手、和铁钻工之一；其中接头系统可选择性地随管状物操纵设备运动；该接头还具有可拆除地并密封地固定在侧开口中的塞子，该塞子具有塞子主体和固定机构，该固定机构连接至塞子主体以用于将塞子可释放地固定在侧开口中；塞子运动设备，塞子被连接至塞子运动设备上，以用于将塞子移出侧开口；塞子运动设备包括插入器设备，该插入器设备可运动以与塞子连接并操作固定机构以将塞子从侧开口释放；接头还具有与侧开口连通的两个间隔开的侧开口凹槽，并且固定机构具有一个或两个爪，所述爪或爪中的一个可选择性地运动进出两个间隔开的侧开口凹槽中的一个；其中接头主体的内表面是曲面的，且塞子具有曲面的外表面，塞子的外表面与主体的内表面基本齐平；其中闭合设备的壳体具有内部空间，且其中流体可流经壳体的内部空间进入接头主体的孔中和经主体的孔的第二端部流出，以使得可在井筒管状物柱中维持连续的流体循环；闭合设备具有可伸展轴，该可伸展轴可伸展以使闭合构件相对于主体的孔定位，该可伸展轴具有贯穿其中的轴通道，该闭合构件位于可伸展轴的一端部处，该闭合构件具有贯穿其中的构件通道，该构件通道与轴通道流体连通，以使得通过闭合构件阻止流体向下流至接头的第二端部，流体可从接头的第一端部流至并流经闭合构件的构件通道，并且随后流至且流经轴通道；和/或其中流体是钻井泥浆，所述被钻井泥浆泵送到接头中并向下流动通过主体的第一端部，并且轴通道与钻机泥浆系统流体连通，以使得通过轴通道流出的钻井泥浆流至钻井泥浆系统。
因此，本发明在一些但不必是全部的实施例中提供了一种用于使井筒作业连续循环的系统，该系统包括接头系统，该接头系统具有可布置成与井筒管状物柱流体连通的接头，该接头具有：主体，该主体大体呈圆柱形并且具有第一端部、第二端部和外表面，第二端部可连接至井筒管状物柱；从第一端部穿过该主体到第二端部的孔，该孔具有由主体的内表面限定的内边界，该孔可布置成与井筒管状物柱流体连通；主体中的侧开口，该侧开口从主体的外表面延伸至主体的内表面；并且接头系统还包括闭合设备，该闭合设备具有与接头主体的侧开口流体连通的壳体，该闭合设备包括位于主体外部的闭合机构，该闭合机构包括闭合构件，该闭合构件位于壳体内并可选择性地插入该侧开口中和从主体的孔中移出，该闭合构件可运动以选择性地关闭来自主体第一端部的流动；塞子设备具有塞子主体，该塞子主体可移除地且密封地固定在侧开口中；和固定机构，该固定机构连接至塞子主体，以用于将塞子可释放地固定在侧开口中；与塞子连接的塞子运动设备用于将塞子从侧开口移出；塞子运动设备包括插入器设备，该插入器设备可运动以与塞子连接并操作固定机构以将塞子从侧开口释放；闭合设备的壳体具有内部空间，而且其中流体可流经壳体的内部空间进入接头主体的孔中和通过该主体的孔的第二端部流出，以使得在井筒管状物柱中维持连续的流体循环；闭合设备具有可伸展轴，该可伸展轴可伸展以使闭合构件相对于主体的孔定位，该可伸展轴具有贯穿其中的轴通道；闭合构件位于可伸展轴的一端部处，该闭合构件具有贯穿其中的构件通道，该构件通道与轴通道流体连通，以使得通过闭合构件阻止流体向下流至接头的第二端部，流体可从接头的第一端部流至并流经闭合构件的构件通道，并且随后流至并流经轴通道；其中流体是钻井泥浆，该钻井泥浆被泵送到接头中并向下流动通过主体的第一端部；轴通道与钻机泥浆系统流体连通，以使得通过轴通道流出的钻井泥浆流至钻井泥浆系统；管状物操纵设备邻近接头系统。在这样的系统中，管状物操纵设备可以是大钳、多个大钳、大钳和背钳、大钳和旋转扳手、和铁钻工之一。
因此，本发明在一些但不必是所有的实施例中提供了一种用于使井筒作业连续循环的系统，该系统具有：接头系统，该接头系统可布置成与井筒管状物柱流体连通；接头系统用于选择性地关闭流至井筒管状物柱的流动；和邻近接头的管状物操纵设备，该管状物操纵设备具有大钳、多个大钳、大钳和背钳、大钳和旋转扳手、和铁钻工中的一种。
本发明和本申请根据美国专利法要求于2008年1月22提交的美国专利申请61/011,849和于2009年1月8日提交的美国专利申请TBA的优先权。
Claims (33)
1.一种在井的建造和维护期间便于钻井泥浆连续循环的方法，该方法包括以下步骤：将连续循环工具(100)的壳体(102)运动到接头(10)，所述接头(10)具有贯穿其中的孔(14)，所述接头(10)处于与井中的管状物柱的连接中或用于与井中的管状物柱连接，并且所述接头选择性地允许钻井泥浆在壳体(102)与接头(10)的侧开口(13)之间流动，该连续循环工具(100)还包括闭合设备(40)；致动闭合机构(41、44)以将闭合设备(40)的闭合构件(42)插入通过接头(10)的侧开口(13)，从而隔断通过至少一部分孔(14)的钻井流体的流动。
2.根据权利要求1所述的方法，其中钻井流体流入井中的流动由闭合构件(42)从壳体(102)引导。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中闭合设备(40)包括通道(44a)，所述通道用于引导钻井流体通过所述闭合构件(42)并且流入所述接头(10)的所述孔(14)或者从所述接头(10)的所述孔(14)流出。
4.根据权利要求1或2所述的方法，还包括下述步骤：在将闭合构件(42)插入通过所述侧开口(13)之前，将一塞子(21)从侧开口(13)移走。
5.根据权利要求4所述的方法，其中将塞子(21)移走的步骤通过将插入器(19b)插入所述塞子(21)以便于移走塞子(21)来执行。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述插入器(19b)被插在至少两个构件(24)之间，以使所述至少两个构件(24)运动分开，从而允许塞子(21)从所述侧开口(13)移走。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括下述步骤：致动塞子运动设备(15)以移走和更换所述塞子(21)。
8.根据权利要求4所述的方法，还包括下述步骤：从所述孔通过所述侧开口(13)移走所述闭合构件(42)；和更换所述塞子(21)。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述闭合机构(41、44)包括至少一个能选择性地伸展的能伸展构件(41)。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述闭合机构(41、44)包括动力驱动的能伸展构件(44)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述动力驱动的能伸展构件(44)是以下部件中的至少一个：液压致动活塞和缸体；气动致动活塞和缸体；齿条和小齿轮；和线性致动器。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述闭合机构还包括至少一个能选择性地伸展的能伸展构件(41)，所述能选择性地伸展的能伸展构件(41)具有第一端部和第二端部，所述动力驱动的能伸展构件(44)具有近端部和远端部，所述第一端部包括所述闭合构件(42)，所述第二端部能运动地附接至所述远端部，而所述近端部附接至所述壳体(102)。
13.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述接头(10)包括台肩(12s)，该方法包括将所述闭合构件(42)抵靠所述台肩(12s)的步骤。
14.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述连续循环工具布置在臂(210)上，以便于所述连续循环工具运动至接头(10)和离开接头(10)。
15.根据权利要求中任一项1或2所述的方法，其中一管状物操纵设备(202)布置在所述连续循环工具(100)的上方，该方法包括下述步骤：使用管状物操纵设备(202)以便于连接所述接头与管状物。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述管状物操纵设备(202)布置在臂(204)上。
17.根据权利要求15所述的方法，其中所述管状物操纵设备(202)是动力大钳；背钳；钻杆旋扣器；旋转扳手；和铁钻工中的至少一种。
18.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述方法的设备，该设备包括：用于连接在管状物柱中的接头(10)和连续循环工具(100)，该接头(10)包括主体(12)和侧开口(13)，所述主体(12) 具有贯穿其中的孔(14)，该连续循环工具(100)包括壳体(102)和闭合设备(40)，所述壳体(102)与所述侧开口(13)流体连通，所述闭合设备(40)包括闭合机构(41、44)和闭合构件(42)，所述闭合构件(42)能选择性地插入侧开口(13)和从侧开口(13)移走以选择性地隔断通过至少一部分孔(14)的钻井流体的流动。
19.根据权利要求18所述的设备，其中所述接头(10)具有外表面，该外表面与管状物柱中的要与所述接头(10)连接的管状物的外表面基本平齐。
20.根据权利要求18或19所述的设备，其中所述闭合设备(40)包括通道(44a)，所述通道(44a)用于引导钻井流体通过所述闭合构件(42)并流入所述接头(10)的所述孔(14)或者从所述接头(10)的所述孔(14)流出。
21.根据权利要求18或19所述的设备，其中所述接头(10)还包括用于堵塞所述侧开口(13)的塞子(21)。
22.根据权利要求21所述的设备，其中所述连续循环工具(100)还包括插入器(19b)，所述插入器(19b)用于插入所述塞子(21)以便于移走所述塞子(21)。
23.根据权利要求22所述的设备，其中所述塞子(21)包括至少两个构件(24)，所述插入器(19b)用于使所述至少两个构件(24)运动分开，从而允许所述塞子(21)从所述侧开口(13)移走。
24.根据权利要求21所述的设备，还包括用于使所述塞子(21)运动的塞子运动装置(15)。
25.根据权利要求18或19所述的设备，其中所述闭合机构(41、44)包括至少一个能选择性地伸展的能伸展构件(41)。
26.根据权利要求18或19所述的设备，其中所述闭合机构(41、44)包括动力驱动的能伸展构件(44)。
27.根据权利要求26所述的设备，其中所述动力驱动的能伸展构件(44)是以下构件中的至少一种：液压致动活塞和缸体；气动驱动活塞和缸体；齿条和小齿轮；和线性致动器。
28.根据权利要求26所述的设备，其中所述闭合机构(41、44)包括至少一个能选择性地伸展的能伸展构件(41)，所述能选择性地伸展的能伸展构件(41)具有第一端部和第二端部，所述动力驱动的能伸展构件(44)具有近端部和远端部，所述第一端部包括所述闭合构件(42)，所述第二端部能运动地附接至所述远端部，而所述近端部附接至所述壳体(102)。
29.根据权利要求18或19所述的设备，其中所述接头(10)包括用于与所述闭合构件(42)抵接的台肩(12s)。
30.根据权利要求18或19所述的设备，其中连续循环工具(100)布置在臂(210)上，以便于所述连续循环工具运动至所述接头(10)和离开所述接头(10)。
31.根据权利要求18或19所述的设备，其中一管状物操纵设备(202)布置在所述连续循环工具(100)的上方，以便于连接所述接头和管状物。
32.根据权利要求31所述的设备，其中所述管状物操纵设备(202)布置在臂(204)上。
33.根据权利要求31所述的设备，其中所述管状物操纵设备(202)是动力大钳；背钳；钻杆旋扣器；以及铁钻工中的至少一种。
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