CN102333934B - 用于在钻孔中抽出和插入钻管柱的方法及实施该方法时所用的设备 - Google Patents

Abstract

一种装卸钻管的设备，其中，在设置为用于接收管柱(1)的钻台开口(211)处，设有两个或多个协同操作的铺管单元(3、3’)，各个铺管单元彼此独立或相互协同操作，其设置为将管柱(1)可松脱地保持固定，并使该管柱(1)沿着其轴向移动，而且使管段(11)沿管柱(1)的轴向(1)移动，同时使管段(11)围绕管柱(1)的轴线旋转。

Description

用于在钻孔中抽出和插入钻管柱的方法及实施该方法时所用的设备

技术领域

这里描述了一种用于载送管柱（pipe string）的设备，更具体而言，在设置为接纳管柱的钻台开口处，设有至少两个协同操作的铺管单元（pipehandling unit），各个铺管单元彼此独立或相互协同操作，其设置为将管柱可松脱地保持固定，并使管柱沿其轴向移动，另外，各个铺管单元使管段（pipe section）沿管柱的轴向移动并使管段围绕管柱的轴线旋转。

背景技术

由于在钻井装置上将手动铺管变为机械遥控式铺管（该钻井装置设置为用于石油、天然气和其它的探测和开采钻井），所以在钻柱插入或抽出、所谓的管柱载送或“装卸钻管（tripping）”、或者替换其它管柱（比如套管（casing））的过程中，效率变得显著降低。然而，在手动组装或分解的情况下，通常每小时铺设60根管段，如今的性能降低了一半。在深水钻孔及渐深的井中钻孔的情况下，目前使用的是非常长的管柱，所以越来越需要减少插入和拉出的时间以及降低这些操作的成本。

通过现有的将钻柱插入钻孔的技术，钻柱由包括一个、两个或三个管接头的多段管逐步地构建。下移进入钻孔中的部分管柱（或在海上进行钻孔时，下移进入将钻孔连接于表面装置的升降器中的部分管柱）借助于楔形机构（滑动件）悬置于钻台，而且管柱由从管架下移至管柱上并借助于管钳组装的新管段加长，同时背钳（back-up tong）将管柱在钻台上突出的部分保持固定而阻止管柱旋转。当新的管段连接于管柱时，管柱下降的长度对应于增加的管段的长度，然后重复进行该过程。当卸除钻管时，操作顺序与此相反。

当为了增加或移除管段而使钻柱停止时，存在这样的风险，由于钻孔内有压差，或者钻孔的开口部分的碎块变松并楔入抵顶钻柱等原因，导致管柱可能卡在钻孔内。该风险使得需要花费额外的时间来松动钻柱，所以为了修复损坏将不得不拉出钻柱。

WO03/102350揭露了一种已知的设置为组装及拆卸井管的钻机装置，其包括：设置为使上管段旋转的动力钳（power tong）；设置为将下层井管保持固定的背钳；及楔形结构，其设置于钻台中并设置为用于悬置钻管。动力钳和背钳可沿井管的轴向移动。

CA2207832揭露了一种从井中移除嵌入在连接管中的钻杆（rod）（例如，驱动井底活塞泵的钻杆）的方法。其描述了如何借助于背钳和动力钳交替地将管段和钻杆段分别从管柱和钻杆拆解。

WO2005/056975公开的是一种已知的动力钳，其具有环绕钻孔中心和管柱的竖向中心轴线的不可分离式压圈。与下层的背钳协同操作的动力钳可沿竖向移动至待分解或待连接的管接头的位置。

US5060542揭露了一种动力钳，其包括三个夹钳，当管柱被组装或拆卸时，仅有两个夹钳的组合始终起作用。这是通过使动力钳可竖向移动至管接头处的所需的一对夹钳的位置来实现的。

在上述介绍中，术语“管柱”和“管段”并非局限于钻柱或套管，而是涵盖所有以下类型的管，这些类型的管由连接于钻井装置并随着管长度的增加而逐渐向下移动的管段组构成。

发明内容

本发明的目的在于克服或减少现有技术的至少一个缺陷。

该目的是通过以下说明书和所附的权利要求书中记载的特征来实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种装卸钻管的设备，其中，在设置为用于接收管柱的钻台开口处，设有两个或多个协同操作的铺管单元，其特征在于，各铺管单元独立于其它的一个或多个铺管单元或与其它的一个或多个铺管单元协同操作，各铺管单元设置为将管柱或管段保持固定，而且使该管柱或管段沿着其轴向移动，在该管柱轴向移动期间，各铺管单元还使该管段围绕该管柱的轴线旋转，因而在连接操作中能够对该管柱进行组装或分解；所述铺管单元设有：夹管单元，所述夹管单元设置为位于该钻台开口的上方，并能沿着该管柱的轴向移动；并且该夹管单元设有：与该管柱可松脱地以旋转方式刚性接合并承载该管柱的重量的装置；以及使该管段围绕该管柱的轴线旋转并使该管段沿着该管柱的轴向移动的装置，其中该管段设于该管柱的端部上或设于该管柱的端部处。

根据本发明的另一方面，提供了一种装卸钻管的方法，该方法包括以下步骤：a）使管柱可松脱地悬置于第一铺管单元中，并沿着该管柱的轴向下移至钻孔中；b）使第一管段可松脱地悬置于第二铺管单元中；c）使所述第一管段的端部朝向该管柱移动，以与该管柱的相应的端部连接，在该管柱沿其轴向移动期间，该第一管段相对于该管柱旋转，并沿轴向移动至与该管柱以旋转方式刚性接合；d）在该管柱沿其轴向连续移动至该管柱的一延伸位置期间，使该第一铺管单元与该第一管柱脱离接合；e）使第二管段可松脱地悬置于该第一铺管单元中，进而如步骤c）中对该第一管段那样被铺设；f）使该第二铺管单元与该管柱脱离接合，并如步骤d）对该第一铺管单元那样被操作；及g）对于多个随后的管段重复步骤d）-f），直到该管柱具有预期的长度；其中所述第一、第二铺管单元中的每一个均设有夹管单元，所述夹管单元设置为位于用于接收管柱的钻台开口的上方，并能沿着该管柱的轴向移动；该夹管单元设有：与该管柱可松脱地以旋转方式刚性接合并承载该管柱的重量的装置；以及使该管段围绕该管柱的轴线旋转并使该管段沿着该管柱的轴向移动的装置，其中该管段设于该管柱的端部上或设于该管柱的端部处。

本发明涉及一种用于装卸钻管（通常将钻柱插入钻孔/从钻孔抽出钻柱，或放置套管以及可能收回套管）的设备，其中，在钻台开口处设有至少两个协同操作的铺管单元，各铺管单元设置为将管柱保持固定、使管柱轴向移动以及使管段相对于管柱旋转并轴向移动，以便分别将管段连接于管柱以及使管段与管柱脱离接合，与此同时，管柱分别被移至钻孔中或从钻孔中被拉出，当先前的管段分别被完全连接于管柱或完全从管柱上被拆下时，其它的一个或多个铺管单元被移至初始位置以与随后的管段（分别准备添加至管柱上或准备从管柱上分解的管段）接合。通过根据本发明设置的至少两个铺管单元的这种交替动作，在组装或分解的过程中，能够实现管柱的连续载送，因而，其获得的性能大于现有技术的机械化装卸钻管所具有的性能。

在第一个方案中，本发明更具体地涉及一种装卸钻管的设备，其中，在设置为用于接收管柱的钻台开口处，设有两个或多个协同操作的铺管单元，其特征在于，各个铺管单元独立于其它的一个或多个铺管单元或与其它的一个或多个铺管单元协同操作，各个铺管单元设置为将管柱或管段可松脱地保持固定，而且使管柱或管段沿着其轴向移动，在管柱轴向移动期间，使管段围绕管柱的轴线旋转。

铺管单元可设有夹管单元（pipe-gripping unit），该夹管单元设置为位于钻台开口的上方，并沿着管柱的轴向移动，该夹管单元设有两个装置，一个装置设置为与管柱可松脱地以旋转方式刚性接合，并承载管柱的重量，另一个装置设置为使管段围绕管柱的轴线旋转并使管段沿着管柱的轴向移动，该管段设于管柱的端部上或设于管柱的端部处。

夹管单元的用于将管柱和管段保持固定并使管段旋转的装置可设置为背离其它的一个或多个协同操作的铺管单元的运动轨迹而移动。

各个夹管单元可连接于提升设备，该提升设备设置为使夹管单元及固定的管柱或管段分别沿着管柱的轴向移动。

夹管单元的至少一个可设有管操纵器（pipe manipulator）。

在第二个方案中，本发明更具体地涉及一种装卸钻管的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a）管柱被可松脱地悬置于第一铺管单元中，并沿着管柱的轴向下移至钻孔中；

b）第一管段被可松脱地悬置于第二铺管单元中；

c）所示管段的端部朝向管柱移动，以与管柱的相应的端部连接，在管柱沿其轴向连续移动期间，管段相对于管柱旋转，并沿轴向移动至与管柱以旋转方式刚性接合；

d）在管柱沿其轴向连续移动至管柱的延伸位置期间，第一铺管单元与管柱脱离接合；

e）第二管段被可松脱地悬置于第一铺管单元中，进而如步骤c）中对第一管段那样被铺设；

f）第二铺管单元与管柱脱离接合，并如步骤d）中对第一铺管单元那样被铺设；及

g）在管柱连续移动期间，对多个随后的管段重复步骤d）-f），直到管柱具有预期的长度。

该方法还包括以下步骤：

h）通过反向进行步骤a）-g）中所述的过程，将管柱卸离钻孔。

附图说明

在以下内容中，描述了附图中显示的优选实施例的示例，在附图中：

图1为从侧面示出的根据本发明的设备的原理图；及

图2为图1中的设备以及设置为使管段在管架与钻台的中部之间移动的管操纵器的俯视图。

具体实施方式

在包括所谓钻台21的钻井装置2上，设有第一铺管单元3和第二铺管单元3’，钻台21具有设置为使设备或装置通过的钻台开口211，在地下岩层6中形成向下延伸的钻孔5的过程中，将使用这些设备或装置。从钻井装置2朝向钻孔5向下伸出管柱1（其本身是公知的），管柱1被设置为使加工钻孔5的工具（例如具有钻头的所谓钻柱，未图示）移动。可替代地，管柱1可以是设置于钻孔5中的套管（casing）。

管柱1由多个管段11、11’组装而成。附图标记11表示连接于管柱1的端部12的第一管段，附图标记11’表示在管柱1中紧接第一管段11的第二管段。管段11、11’包括本身公知的用于可松脱地连接的装置，例如分别具有内螺纹部和外螺纹部的端部。

铺管单元3、3’的功能相同，而且它们各自包括连接于提升设备32的夹管单元31，提升设备32设置为使夹管单元31沿着管钳导引件33竖向地移动。

夹管单元31设有动力钳311，动力钳311设置为使管段11、11’相对于管柱1旋转预定转矩。背钳312设置为以这样的方式与动力钳311连接，该方式为，当动力钳311定位在待连接于管柱1或待从管柱1分解的管段11、11’的下端部时，背钳312可定位在管柱1的上端部12的区域，该区域适于将管柱悬置于通常螺纹盒（threaded box）的肩部的正下方。当管段11、11’组装而连接成为管柱1，或管段11、11’分解而拆离管柱1时，背钳312设置为将管柱1可松脱地保持固定，并将管柱1悬置在铺管单元3、3’中，从而能够借助于铺管单元3、3’的提升设备32使管柱1下降或提升。夹管单元31的设置方式为，至少在一个操作位置上，使动力钳311和背钳312的中心与管柱1的中心轴线重合。

动力钳311和背钳312设置为移离其操作工作区域（沿径向远离钻柱1的中心轴线），因而允许一夹管单元31在竖向地移动时穿过与管柱1或管段11、11’操作性接合的那个夹管单元31。这在图2中大体示出，其中动力钳311和背钳312的管柱环绕部背离管柱1而枢转。

管操纵器34设置的方式为，使管段11、11’能够在管架4与铺管单元3、3’的工作区域之间移动，因而当构建管柱1时将管段11、11’供给至铺管单元3、3’，或者当拆卸管柱1时将管段11移除。

各个铺管单元3、3’设置为，当管柱1连续下移穿过钻台开口211时，将管段11、11’连接于管柱1，或当管柱1连续上移穿过钻台开口211时，使管段11、11’与管柱1脱离连接。

在管柱1的连续移动过程中的所述连接是这样实现的，即，在钻台21的中部（即第一铺管单元3的夹管单元31所处的位置，而且夹管单元31在该位置利用背钳312夹持管段11的上端部），管操纵器34将第一管段11与其它附加工具（例如，钻管段上的钻头）安置在一起。夹管单元31沿着管钳导引件33向下移动。与此同时，第二铺管单元3’的夹持单元31向上移动以接收第二管段11’，夹持单元31的背钳312夹持第二管段11’的上端部。第二管段11’移至与连续下移的第一管段11的上端部邻接处，且第一铺管单元3的夹管单元31的动力钳311夹持第二管段11’的下端。当第二铺管单元3’的夹持单元31解除围绕第二管段11’的牢固夹持，而与第二管段11’保持稳定的相对位置时，第二管段11’通过第一铺管单元3的动力钳311实施转动。当该连接已经接近指定转矩时，第二铺管单元3’的夹持单元31再次围绕并牢固的夹持第二管段11’，而第一铺管单元3与管柱1脱离接合，并竖向地移动以接收新的管段11。

当松脱并拆除管柱1时，其操作与上述操作相反。

通过钻柱1的协同移动和连续向下移动（可替代地，连续向上移动），实现了预期的效果，即，在所谓装卸钻管的过程中，管移动无需不断的停顿，就能够分别组装及拆卸管柱。

Claims (6)

1.一种装卸钻管的设备，其中，在设置为用于接收管柱（1）的钻台开口（211）处，设有两个或多个协同操作的铺管单元（3、3’），其特征在于，各铺管单元（3、3’）独立于其它的一个或多个铺管单元或与其它的一个或多个铺管单元协同操作，各铺管单元（3、3’）设置为将管柱（1）或管段（11）保持固定，而且使该管柱（1）或管段（11）沿着其轴向移动，在该管柱（1）轴向移动期间，各铺管单元（3、3’）还使该管段（11）围绕该管柱（1）的轴线旋转，因而在连接操作中能够对该管柱（1）进行组装或分解；

所述铺管单元（3、3’）设有：

夹管单元（31），所述夹管单元设置为位于该钻台开口（211）的上方，并能沿着该管柱（1）的轴向移动；并且

该夹管单元（31）设有：与该管柱（1）可松脱地以旋转方式刚性接合并承载该管柱（1）的重量的装置（311）；以及使该管段（11）围绕该管柱（1）的轴线旋转并使该管段（11）沿着该管柱（1）的轴向移动的装置（312），其中该管段（11）设于该管柱（1）的端部（12）上或设于该管柱（1）的端部（12）处。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，该夹管单元（31）的用于将该管柱（1）和管段（11）保持固定并使该管段（11）旋转的装置（311、312）设置为离开其它的一个或多个协同操作的铺管单元（3、3’）的运动轨迹而移动。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，各个夹管单元（31）连接于提升设备（32），该提升设备（32）设置为使该夹管单元（31）及保持固定的该管柱（1）或管段（11）能沿着该管柱（1）的轴向移动。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述铺管单元（3、3’）中的至少一个设有管操纵器（34）。

5.一种装卸钻管的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a）使管柱（1）可松脱地悬置于第一铺管单元（3）中，并沿着该管柱（1）的轴向下移至钻孔（5）中；

b）使第一管段（11）可松脱地悬置于第二铺管单元（3’）中；

c）使所述第一管段（11）的端部朝向该管柱（1）移动，以与该管柱（1）的相应的端部（12）连接，在该管柱（1）沿其轴向移动期间，该第一管段（11）相对于该管柱（1）旋转，并沿轴向移动至与该管柱（1）以旋转方式刚性接合；

d）在该管柱（1）沿其轴向连续移动至该管柱（1）的一延伸位置期间，使该第一铺管单元（3）与该第一管柱（1）脱离接合；

e）使第二管段（11’）可松脱地悬置于该第一铺管单元（3）中，进而如步骤c）中对该第一管段（11）那样被铺设；

f）使该第二铺管单元（3’）与该管柱（1）脱离接合，并如步骤d）对该第一铺管单元（3）那样被操作；及

g）对于多个随后的管段（11’）重复步骤d）-f），直到该管柱（1）具有预期的长度；

其中所述第一、第二铺管单元（3、3’）中的每一个均设有夹管单元（31），所述夹管单元设置为位于用于接收管柱（1）的钻台开口（211）的上方，并能沿着该管柱（1）的轴向移动，

该夹管单元（31）设有：与该管柱（1）可松脱地以旋转方式刚性接合并承载该管柱（1）的重量的装置（311）；以及使该管段（11）围绕该管柱（1）的轴线旋转并使该管段（11）沿着该管柱（1）的轴向移动的装置（312），其中该管段（11）设于该管柱（1）的端部（12）上或设于该管柱（1）的端部（12）处。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：

h）通过反向进行步骤a）-g）中所述的过程，将该管柱（1）卸离该钻孔（5）。