CN102803643A - 用于以连续的工具旋转和连续的钻井液供应来钻井的设备和方法 - Google Patents

Abstract

描述了用于在地下结构（63）中形成井眼（6）的钻机的设备，其中钻机包括设置成可沿导轨（21）竖直移位的第一顶部从动钻井机（1）；而第二钻井机（3）设置在第一钻井机（1）与井眼（6）之间，可沿导轨（41）竖直移位，并设有被设置成能够承受管柱（5）的重量的旋转台（31）、被设置成使管柱（5）连续旋转的旋转驱动单元（32）、流体室（34）以及动力钳（33）；由于流体室（34）设有管柱端口（341、343），管柱端口包括被设置成能够以流体密封的方式封闭管柱端口（341、343）的装置（342、344、345），流体室（34）被设置成能够以流体连通的方式将管柱端部（51）与钻井液站（7）连接；由于动力钳（33）设置在流体室（34）中，动力钳被设置成连续旋转连接到管柱（5）的元件（12、52）。还描述了以连续的工具旋转和连续的钻井液供应钻井的方法。

Description

用于以连续的工具旋转和连续的钻井液供应来钻井的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于在地下结构中形成井眼的钻机（drilling rig）的设备，其中，钻机包括第一顶部从动钻井机（driven drilling machine），第一顶部从动钻井机被设置成可沿导轨竖直地移位，更具体地，其中在第一钻井机与井眼之间设置有第二钻井机。第二钻井机可沿导轨竖直地移位，并设有：旋转台，其被设置成能够承受管柱的重量；旋转驱动单元，其被设置成用于使管柱连续旋转；流体室，由于流体室设有管柱端口，管柱端口包括被设置成以流体密封的方式封闭管柱端口的装置，故流体室被设置成将管柱端部与钻井液站连接；以及动力钳，由于动力钳设置在流体室中，故动力钳被设置成用于连接到管柱的元件的连续旋转。还描述了用于以连续的工具旋转以及连续的钻井液供应来钻井的方法。

背景技术

在地下钻井期间，例如在与油气勘探相关的勘探和开采钻井中，随着孔的延伸，新的钻杆段被稳定地联结。在每个这样的操作中，管柱的旋转被停止，而且在正在使用的大多数技术中，在管柱延伸时，钻井液的循环同时停止。旋转和钻井液循环中的这种中断的缺陷在业内是公知的。将岩屑运出井（的操作）被停止，岩屑将由此开始下沉，并且岩屑可沉积在水平井眼部。由于在重新开始钻井操作之前，钻井液必须循环一些时间以清洁井眼，所以这会带来时间损失。当管柱停止旋转时，由于下沉岩屑的汇集，而且所要克服的地层壁的摩擦力因井眼与井眼周围的地层之间的压力差而增大，管柱被卡在井眼中的风险也增大。另一缺陷是，钻井液循环的停止导致钻井液中的压力发生变化，如果压力超过临界极限值，地层流体就会进入井眼内，或者钻井液可泄漏到地层内，而这两种情形都是不期望发生的。

从NO326427知晓一种用于顶部驱动器的设备，其中，驱动轴设置成可释放地连接到驱动齿轮，并且第一钻杆的第一端部设有贯通的中心行程，其设置成在钻井液站与钻杆中行进的流体之间实现流体连通。第一、第二可释放的驱动轴或管柱分别包围压力密封件以及一阀（该阀被设置用于在打开位置为钻杆或驱动轴提供一条通道），形成第一室和第二室。第二室分配有钻井液入口，且该钻井液入口设置成在钻井液站与联结外壳之间形成流体连通。

由此提供一种连续的钻井液循环的可能性，但在安装新钻杆段时钻柱不得不停止旋转。

GB2399112描述了在钻井期间用于连接管部件而不停止钻柱的旋转或流体通过管柱的循环的方法和装备。这是通过顶部驱动器与旋转台之间的协作实现的。联结到管部件上的螺纹部的流体循环设备在顶部驱动器与管柱分离时用于进行流体循环。

US6412554描述了供流体在管柱（例如盘绕管路或由螺接在一起的管段组成的管柱）中来回进行连续循环的系统。该系统包括上室和下室，上室和下室具有用于接纳管柱的贯穿开口；而密封装置设置在上、下开口处，并设置成绕管柱紧密地配合。该系统还包括用于使管柱或管部件相对于上室和下室旋转并轴向位移的设备。

发明内容

本发明的目的是弥补或减少现有技术中的至少一个缺陷，或者至少对现有技术提供有效的替换方案。

上述目的通过以下说明书和随后权利要求书所公开的特征实现。

提供一种用于钻机的设备，该设备能够既用于管柱的连续旋转，也用于钻井液的连续循环，使得井的一部分的钻探操作能够不间断地进行。本发明将能够有助于在建立井眼期间增大生产率。利用了设置在钻台之上并与钻台的中心轴线轴向一致的两个钻井机；上部的第一钻井机根据现有技术为顶部驱动器，并执行包括管柱旋转、向管柱供应钻井液、管柱的轴向位移以及还有在联结管柱期间钻杆段相对于钻柱的旋转的基本钻井操作；下部的第二钻井机则除了能够将钻井液供应到管柱之外，还设有被设置成能够悬挂管柱同时旋转管柱的装置。

这两个钻井机包括被设置用于在从钻台或类似位置向上延伸的井架中沿导轨进行竖直和独立的位移的装置。这些钻井机可连接到同一组导轨。

第一钻井机具有向下延伸的驱动轴，该驱动轴出于实践目的通常设有驱动轴延伸部。在进一步的描述中，术语“驱动轴”涵盖任何时间使用的驱动轴，无论其实际上借助可释放单元实体地延伸，还是驱动轴被设置成一个元件。在驱动轴延伸部被明确地表达的情况下，使用术语“驱动轴延伸部”。

第二钻井机设有中心贯穿的开口，并包括被设置用于连续旋转管柱的旋转台，而且设有用于例如以所谓的“动力卡瓦”的形式来悬挂管柱的装置。在旋转台之上设有旋转驱动单元，旋转驱动单元被设置成能够可释放地连接到管柱的一部分。被设置用于连续旋转的动力钳放置在旋转驱动单元之上，并设置在流体室内。流体室设有上端口、下端口，由于这两个端口设有压力密封件，这些压力密封件设置用以在管柱或管柱段的周围紧密地封闭，所以上端口、下端口与管柱轴线一致并设置用于通过钻杆进行供给。上端口额外设有截止阀；该截止阀被设置成能够关闭所述端口，并且在打开位置能够贯穿管柱段进行供给。流体室设有被设置成供应加压钻井液并且还从流体室排放流体的装置。流体室有利地设有通风装置，该通风装置被设置成引导空气或其他气体进入或离开流体室。

钻井操作按以下方式进行：

a）第一钻井机使管柱旋转，并按本身公知的方式将钻井液供应到管柱中的中心开口，直到必须以新管段来延伸管柱为止。管段被悬挂在旋转台中。第一钻井机驱动轴的一部分，或者可能地驱动轴延伸部（以下为了简单称为“驱动轴”）向下延伸到流体室内，并被动力钳包围。压力密封件包围管柱和驱动轴。

b）在调整旋转驱动单元的旋转速度以对应于管柱的旋转速度之后，在管柱旋转的同时，旋转驱动单元和管柱被联结。此后，第一钻井机可脱离，因为现在管柱的旋转由下部的钻井机负责。

c）在调整动力钳的旋转速度以对应于管柱的旋转速度之后，这使得驱动轴接合。压力密封件开始起作用。

d）通过使旋转驱动单元和动力钳同步操作，随着流体室同时被加压，驱动轴和管柱之间的螺纹连接被断开。因为钻井液能够从流体室流入管柱内，所以关闭对第一钻井机的钻井液供应。

e）驱动轴与动力钳脱离，并且在第一钻井机的竖直位移中，驱动轴从截止阀被拉出，该截止阀在上压力密封件起作用以及驱动轴从流体室的上端口被拉出之前被关闭。

f）管柱的旋转和竖直位移以及钻井液的供应借助下部的钻井机被维持，同时新的管柱段被连接到第一钻井机的驱动轴。

g）管柱段被引入上流体室端口内。压力密封件起作用。截止阀被打开；而且管柱段向下被移位到流体室内，以在动力钳中固定；动力钳用于随着通过第一钻井机的钻井液供应开始，而通过流体室的钻井液供应停止，同时在旋转驱动单元与动力钳的旋转的同步操作中与管柱连接。

h）随着下部的钻井机的旋转驱动单元与管柱脱离，由第一钻井机维持旋转、竖直位移及钻井液供应，流体室被排空而且压力密封件不起作用。

i）重复上述的操作a）至操作h），直到完成钻井操作为止。

在第一方案中，本发明更具体地涉及随附权利要求1中所述的特征。可选实施例则陈述于随附权利要求2-9中。

在第二方案中，本发明更具体地涉及随附权利要求10中所述的特征。

在第三方案中，本发明涉及包围动力钳的可封闭流体室的使用，其利用设有旋转台的钻井机向管柱供应钻井液。

附图说明

以下描述附图中示出的优选实施例的示例，附图中：

图1示出一个钻机的侧视图，该钻机包括两个协同操作的钻井机，其中，下部钻井机是分段式的；

图2示意性地以较小比例示出连接到钻井机的钻井液站；

图3至图7示出连续钻井操作的不同步骤的侧视图，以箭头和黑实线来表示正在起作用的单元以及流动的钻井液；其中

图3示出正在借助下部钻井机进行操作的管柱，并且管柱段已准备好连接到第一钻井机；

图4示出管柱段连接到第一钻井机并被引入流体室的上端口内，而且被端口的压力密封件密封地包围；

图5示出管柱段被引导通过流体室的截止阀，而且连接到被设定成旋转的动力钳；

图6示出管柱段与动力钳脱离，并连接到现在与旋转台脱离而由第一钻井机驱动的管柱，同时流体室排尽钻井液；以及

图7示出由第一钻井机驱动并相对于下部钻井机而自由旋转的管柱。

具体实施方式

在图中，附图标记“1”表示本身公知的顶部驱动器，以下也称为第一钻井机。第一钻井机按照正常方式设有驱动轴11、驱动轴延伸部12和钻井液入口13，并附接到钻机井架2，而且可沿导轨21在竖直方向上移位。钻井机1相对于井眼6的中心轴线62设置在中心。

在第一钻井机1与井眼6之间设置有第二钻井机3；第二钻井机附接到第二钻机井架4，并可沿导轨41在竖直方向上移位。

管柱5在井眼6中向下延伸（见图2），并由多个管柱段52组成，管柱段可与管柱5的端部51螺纹连接。管柱段52包括驱动管521，驱动管521设有一部分521a，部分521a具有被设置成可释放地接合第二钻井机3的多边形横截面。管柱5设有钻头53。

井眼6从井口装置61向下在地下结构63中延伸。

钻井机1、3以流体连通的方式连接到钻井液站7，钻井液站7包括：钻井液泵71；供应线路72，其设置成经由钻井机1、3以及管柱5中的中心开口将加压钻井液引导到钻头53；泵送路线73，其以流体连通的方式将钻井液泵71与钻井液储槽74连接；以及返回线路75，其将井口装置61和钻井液储槽74连接。

供应线路72包括：主要线路721，其设有第一截止阀723，第一截止阀723设置成以受控方式将钻井液引导至第一钻井机1；以及次要线路722，其设有第二截止阀724，第二截止阀724设置成以受控方式将钻井液引导至第二钻井机3。排放线路76将第二钻井机与钻井液储槽74连接。

第二钻井机3包括旋转台31，旋转台31设有动力卡瓦311，动力卡瓦311设置成使管柱5以本身公知的方式悬挂在旋转台31中。设置有连接到旋转台31的旋转驱动单元32；旋转驱动单元32设置成通过可释放地附接到驱动管521的多边形部分521a，而能够在管柱被悬挂于旋转台31中时使管柱5绕其中心轴线旋转。在旋转台31之上设置有动力钳33，动力钳33设置成用于连续旋转。动力钳33被封装在流体室34中，流体室34分别设有上管柱端口343和下管柱端口341。管柱端口341、343各自分别设有压力密封件342、344；这些压力密封件设置成通过包围紧靠管柱5的一部分即管柱段53、或包围紧靠第一钻井机的驱动轴延伸部12的一部分，来封闭管柱端口341、343。流体室34与上压力密封件344之间设置有截止阀345，截止阀345在打开位置被设置成用于引导管柱段52和所连接的驱动轴延伸部12的至少向下延伸的端部通过。

流体室34还设有钻井液入口35，钻井液入口35与次要线路722处于流体连通的连接状态。可封闭的流体室排放端口351设置成能够经由排放线路76，将流体室34（中的流体）排放到钻井液储槽74。流体室通风装置352设置在流体室34的上部，并设置成当流体室充满或排空钻井液时，能够使流体室34流通空气和其他气体。

旋转台31、旋转驱动单元32、动力钳33和流体室管柱端口341、343形成有中心开口36；中心开口36延伸通过第二钻井机3，并且相对于井眼6的中心轴线62被中心设置。

当以根据本发明设置的钻机来执行钻井操作时，由于管柱5穿过第二钻井机3的中心开口36而延伸并相对于第二钻井机3而自由地移动（见图7），所以管柱5在第一阶段借助第一钻井机1而旋转并移位。钻井液经由第一钻井机1的钻井液入口13而循环到钻头53，并经由环空54（见图2）、井口装置61、返回线路75和为钻井液的本身公知的处理所必需的处理装置（图中未示）而返回到钻井液储槽74。第二钻井机3沿竖直方向移位到上部的开始位置。

在设置于管柱5中的最上方的驱动管521被置于该驱动管的多边形驱动管部分521a被第二钻井机3的旋转驱动单元32所包围的情况下，此驱动管被设定成对应于管柱5而旋转，并被引导与管柱5接合。管柱5借助动力卡瓦311，以本身公知的方式悬挂在旋转台31中。动力钳33设定成对应于管柱5而旋转，并被引导与穿过动力钳延伸的驱动轴延伸部12接合。随着第一钻井机1的驱动齿轮脱离，现在可通过第二钻井机3来执行管柱的旋转。

在下一阶段中，下压力密封件342和上压力密封件344以及流体室端口351封闭，因为供应线路72的各截止阀724打开，所以钻井液被供应到流体室34。借助动力钳33相对于旋转驱动单元32的速度减小，驱动轴延伸部与管柱之间的连接断开，钻井液现在经由流体室34和打开的管柱端部51供应。当供应线路72中的各截止阀723关闭时，停止对第一钻井机1的钻井液供应。此时管柱的旋转和管柱5的位移由第二钻井机3执行。

由于一旦驱动轴延伸部12被拉出截止阀345的中心行程（central run），第二钻井机3的截止阀345就关闭，所以第一钻井机1现在被移位而远离第二钻井机3，同时上压力密封件344仍然围绕驱动轴延伸部12密封地封闭压力。此后，上压力密封件344被拉回，而且驱动轴延伸部12被拉离第二钻井机3，以连接到下一管柱段52（见图3）。

第一钻井机1朝向第二钻井机3移位，直到管柱段52的下端部被上压力密封件344包围为止；随后上压力密封件344起作用，以围绕管柱段52密封地封闭压力（见图4）。此后打开截止阀345，第一钻井机1和动力钳33被设定成对应于管柱5旋转。打开对第一钻井机1的钻井液供应（见图5）。随着第一钻井机1的驱动齿轮脱离，而且管柱段52朝向管柱5的端部51移位并连接到管柱5，动力钳33的旋转速度相对于旋转驱动单元32而增大。关闭各截止阀724，停止对流体室34的钻井液供应。

随着在操作中第一钻井机1被设定，旋转驱动单元32、动力钳33和动力卡瓦311与延伸的管柱5脱离。流体室34通过流体室排放端口351和排放线路76来排空钻井液，压力密封件342、344脱离其紧靠管柱5的压力密封状态。

上述过程重复进行，直到钻头到达期望的位置为止。

对本领域技术人员而言显而易见的是，提供具有相关的监视和操作装置的根据本发明的钻机，以同步上述各种操作。

Claims (11)

1.一种用于在地下结构（63）中形成井眼（6）的钻机的设备，其中，所述钻机包括：第一顶部从动钻井机（1），其设置成能够沿导轨（21）竖直地移位；以及第二钻井机（3），其设置在所述第一钻井机（1）与所述井眼之间，能够沿导轨（41）竖直地移位，并设有被设置成能够承受管柱（5）的重量的旋转台（31）、被设置成用于使管柱（5）连续旋转的旋转驱动单元（32）、以及被设置成能够以流体连通的方式将管柱端部（51）与钻井液站（7）连接的流体室（34），所述流体室（34）设有多个管柱端口（341、343），所述管柱端口包括被设置成能够以流体密封的方式封闭所述管柱端口（341、343）的装置（342、344、345），其特征在于，所述第二钻井机还设有被设置成能够使元件（12、51）与所述管柱（5）连接/分离的动力钳（33），所述动力钳（33）设置在所述流体室（34）中。

2.根据权利要求1所述的设备，所述管柱端口（341、343）设有压力密封件（342、344），所述压力密封件设置成能够以流体密封的方式包围所述管柱（5）的一部分、管柱段（52）、或被连接到所述第一钻井机（1）的驱动轴（12）。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述上管柱端口（343）设有截止阀（345），所述截止阀设置在上压力密封件（344）与所述流体室（34）之间。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述钻井液站（7）包括供应线路（72），所述供应线路设有被设置成能够以流体连通的方式将钻井液泵（71）与所述第一钻井机（1）上的钻井液入口（13）并与所述流体室（34）中的钻井液入口（35）连接的装置（721、722、723、724）。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述流体室（34）设有与钻井液储槽（74）流体连通的可封闭的流体室排放端口（351）。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述流体室（34）设有可关闭的通风装置（352）。

7.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一钻井机（1）的所述导轨（21）被设置成远离所述第二钻井机（3）的所述导轨（41）。

8.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一钻井机（1）的所述导轨（21）与所述第二钻井机（3）的所述导轨（41）一致。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述管柱段（52）包括驱动管（521），所述驱动管设有一具有多边形横截面外形的部分（521a）。

10.一种用于以连续的工具旋转和连续的钻井液供应来钻井的方法，所述方法包括以下步骤：

a）管柱（5）设有位于地下结构（63）中的井眼（6）内的钻头（53）；所述管柱被连接到第一顶部从动钻井机（1）上的驱动轴（11），并被引导穿过第二钻井机（3）上的中心开口（36），在钻井液经由所述第一钻井机（1）上的钻井液入口（13）被供应到所述钻头（53）的同时，所述管柱被旋转并沿所述井眼（6）的轴向被向外移位；

b）连接到所述第二钻井机（3）中的旋转台（31）的旋转驱动单元（32）被设定成以与所述管柱（5）的旋转对应的速度旋转；

c）所述旋转驱动单元（32）被引导成与所述旋转管柱（5）的上方部分（521a）接合；

d）在设置于所述旋转台（31）与所述第一钻井机（1）之间的流体室（34）中的管柱端口（341、343）内形成的可封闭的压力密封件（342、344）被引导成，分别紧靠所述管柱（5）的一部分或紧靠所述驱动轴（11）的一部分形成压力密封；

其特征在于：

e）设置在所述流体室（34）中的动力钳（33）被设定成以与所述驱动轴（11）的旋转对应的速度旋转；

f）所述动力钳被引导成与所述驱动轴（11）的一部分接合；

g）通过减小所述动力钳（33）相对于所述旋转台（31）的旋转速度，所述驱动轴与所述管柱（5）脱离；同时，随着钻井液站（7）与所述钻头（53）之间经由所述流体室（34）和开放的上管柱端部（51）而建立起流体连通的连接，继之停止对所述第一钻井机（1）的钻井液供应；

h）所述驱动轴（11）被移位到所述流体室（34）之外，随着所述截止阀（345）关闭，且上压力密封件（344）从紧靠所述驱动轴（11）脱离，所述第一钻井机（1）被移位而远离所述第二钻井机（3）；

i）管柱段（52）被连接到所述第一钻井机（1）的所述驱动轴（11），并且被移位到所述流体室（34）内，所述上压力密封件（344）被引导成紧靠所述管柱段（52），而且所述截止阀（345）被打开；

j）所述动力钳（33）被引导成与所述管柱段（52）的一部分接合，并且在所述管柱段（52）上提供大于所述管柱（5）的旋转速度的旋转速度；

k）所述动力钳（33）朝向所述管柱（5）被移位，并且将所述管柱段（52）与所述管柱（5）连接，对所述第一钻井机（1）的钻井液供应被建立，此后对所述流体室（34）的钻井液供应被停止；

l）所述第一钻井机（1）恢复所述钻柱（5）的旋转和竖直位移，所述流体室（34）通过排放端口（351）排出流体到钻井液储槽（74），此后所述压力密封件从紧靠所述管柱（5）脱离；以及

m）重复步骤b）至步骤l）。

11.一种包围动力钳（33）的可封闭的流体室（34）的应用，在利用设有旋转台（31）的钻井机（3）时向管柱（5）供应钻井液。

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