CN103080460B - 用于吊卡提环的装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

一种伸缩式吊卡提环（1），被设置成可在石油工业的井操作中被动态使用，吊卡提环（1）包括：套筒（2），设有第一附接机构（24）和嘴部（28）；杆（3），被设置成可沿套筒（2）和杆（3）的共同纵轴线伸缩式地位移；且杆3设有至少一个垂直于杆（3）的纵轴线的通孔（36、36’、36’’），孔（36、36’、36’’）被设置成可容纳由致动器致动的保持螺栓（42）；套筒（2）设有至少一个止动螺栓（5）；止动螺栓（5）设有向内突出的保持部（53）；而且杆（3）设有被设置成在套筒（2）和杆（3）呈现出它们的相对最长纵向位移量时抵靠在止动螺栓（5）的保持部（53）上的第一台肩部（54）。还描述包含这种伸缩式吊卡提环的船及利用吊卡提环（1）的方法。

Description

用于吊卡提环的装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种用于在钻井操作、井测试以及井维护操作中使用的吊卡提环(elevator bail)。本发明尤其涉及一种用于在船上使用的吊卡提环，该船在自海床延伸的立管上进行这样的操作。

背景技术

在现有技术中众所周知的是，当在从海床延伸且伸至船上的立管之上执行工作(所谓修井立管(Work Over Riser，WOR)操作)时，总是以安全的方式来操纵浮式钻机和钻井船是一项挑战。WOR系统是为稳定地增加与WOR操作结合的压力设计的，WOR操作全年都在暴露区域中进行，这样就增大了发生不可控状况以及设备在井测试和WOR操作中发生损坏的可能性。

在特定情况下，井中的设备与船之间的张力超过船中的波浪补偿器、钻井架和提升设备的结构强度。这样的情况例如可在波浪意外的高以及船产生漂移时出现。用于井测试的现代设备可能很重，导致钻井管中的张力超过船中提升设备的最大设计负载。船将忍受高达波浪补偿器工作范围的最大值的波浪。在特定天气条件下，可能会发生超过波浪补偿器工作范围的高度的波浪，并且当波浪补偿器被拉长到最大值时可能会发生破坏。需要通过使破坏在预期位置发生这种方式来控制这类破坏，从而避免对人员和设备的损害。因此，需要引入一种弱连接件，其产生受控的损坏以避免广泛的损坏。

立管是以船可随波浪移动、且立管的顶部可相对于船的工作甲板移动的方式被布置到船上的。测井电缆或盘管借助起重机而在该立管中被上下引导。起重机经由所谓的吊卡提环(通常经由公知类型的两个吊卡提环)连接到波浪补偿器。吊卡提环通常在每个端部都要设有附接机构。附接机构可由吊环构成，吊环被设置成快速地固定到钩上或者从钩上松脱。这些吊卡提环有多种长度，并且由诸如铁合金之类的固体金属构成。

起重机经由吊卡提环悬挂在波浪补偿器中。起重机与吊卡提环是根据现有技术，通过弱连接件(所谓的薄弱环节)来连接的。每个薄弱环节分成上主部和下主部。下主部设有与起重机一起形成节段式连接的附接机构。附接机构可以是借助贯穿叉形尖头的螺栓被紧固至起重机的叉形件或吊环。上主部固定到井管处理设备中的下部吊环，且直接或间接地悬置于波浪补偿器中。破裂螺栓(fracture bolt)被设置成在预定拉伸载荷断裂，且将这两个主部保持在一起。薄弱环节还设有可液压式位移的螺栓(由坚固的螺栓构成)。在升降设备时，坚固的螺栓位移到薄弱环节的两个主部中的互补开口内，并且在这两个主部之间形成坚固的连接。当执行临界(critical)工作操作时，坚固的螺栓被拉出互补开口，并且设备悬挂在破裂螺栓上。

现有的解决方案具有至少两个缺陷。在破裂处，薄弱环节的两个主部之间失去接触，因此，在起重机和波浪补偿器与附属升降设备之间不再存在连接。在薄弱环节的两个主部之间被重新连接之前，或者起重机被直接地固定到吊卡提环(吊卡提环由波浪补偿器直接或间接地悬挂)之前，设备不再能够被提升，而这在天气改善之前是不能够完成的。这还需要人员出动至甲板上，这样就构成了危险。另一个缺陷是，波浪补偿器与起重机之间的连接是由薄弱环节和吊卡提环构成的，薄弱环节与吊卡提环经由钩对吊环的连接而互连。这样就在张力从下方施加到起重机时，形成直线的节段式连接，但是当船向下移动时并且连接件暴露于压力时，这种连接将侧向松脱。

NO20084595号专利文件揭示了一种在离岸修井中使用的张力框架。在该张力框架的多个部分的一个部分中设有张力框架腿；张力框架腿设有贯穿式钻孔，该钻孔被设置成容纳破裂元件。在剪切力将作用在破裂元件的全部直径上的“强方式”与剪切力将作用在破裂元件的削弱部分上的弱方式之间，破裂元件可借助活化剂在其钻孔中沿纵向位移。该专利文件所讲授的内容并未解决当破裂元件被破坏时，维护和/或再产生张力框架中的各主部之间的连接的问题。

在现有技术中，使用纵长可调节的吊卡提环是公知的。WO2005/121493号专利文件揭示了一种吊卡提环，其包括设有附接吊环的套筒部以及设有吊环的杆，杆可沿其纵向在套筒部之内位移。杆通过贯穿套筒部和杆的螺栓来附接到套筒部。这些螺栓形成固定式连接。US2005/0098352号专利文件揭示了一种吊卡提环，其具有中心套筒部、设有附接吊环的上部杆以及设有附接吊环的下部杆。上部杆和下部杆可沿其纵向在套筒部中位移。这些杆通过贯穿套筒部和相应的杆的螺栓来附接到套筒部。这两个专利文件均讲授静态的纵向可调节吊卡提环，这意味着其纵向可调节吊卡提环在使用中具有固定的长度。改变吊卡提环长度，就需要将多个螺栓从其各自的通孔中取出，并且在杆已经在套筒部之内位移到所需长度之后再将这些螺栓放入其各自的通孔。

发明内容

本发明的目的在于补救和减少现有技术的至少一个缺陷，或者至少为现有技术提供有用的替代方案。

现有技术中提到的缺陷是通过将吊卡提环和薄弱环节形成为一个单元来克服的。更具体地，吊卡提环被形成为动态可伸缩的吊卡提环。以下说明书中，动态可伸缩的意思是吊卡提环的套筒和杆在工作操作的使用中可相对位移。可伸缩的吊卡提环设有三种类型的螺栓：至少一个坚固的且可位移的保持螺栓；至少一个坚固的且不可移动的止动螺栓；以及至少一个削弱的且不可移动的破裂螺栓。在替代性实施例中，吊卡提环还设有可移动的第二破裂螺栓。

在第一方案中，本发明涉及一种伸缩式吊卡提环，其被设置成能够在石油工业中的井操作中被动态地使用，其中，吊卡提环包括：套筒，设有第一附接机构和嘴部；以及杆，被设置成能够相对于套筒沿套筒和杆的共同的纵轴线伸缩式地位移；并且杆设有至少一个垂直于杆的纵轴线的通孔，并且孔被设置成能够容纳致动器可致动保持螺栓；而且其中，杆在其第二端部设有至少一个第一邻接部，并且套筒设有至少一个第一接触部；第一接触部被设置成，当套筒和杆呈现出它们的最长的相对纵向位移量时，能够支撑杆的第一邻接部。杆的第一邻接部可向杆的表面外侧沿径向伸出。套筒的第一接触部可在套筒的内壁中形成。

杆可在其第二端部设有第一台肩部，并且套筒可设有至少一个止动螺栓；其中止动螺栓可设有向内伸出的保持部。在杆的一部分表面中可形成有至少一个轴向延伸的且笔直的止动槽，并且止动槽被设置成能够容纳止动螺栓保持部。杆的第一台肩部可向杆表面的外侧伸出。在替代性的实施例中，杆的第一台肩部可位于杆表面的内侧。

杆可设有至少一个第二邻接部，并且套筒至少可设有第二接触部；第二接触部被设置成，当套筒和杆呈现出它们的最长的相对工作长度位移量时，能够支撑杆的第二邻接部。杆的第二邻接部可沿径向伸出到杆表面的外侧。套筒的第二接触部可在套筒的内壁中形成。杆可设有第二台肩部，并且套筒可设有至少一个破裂螺栓；破裂螺栓可设有向内伸出的破裂保持部。第二杆的台肩部可向杆表面的外侧伸出。在替代性的实施例中，第二杆的台肩部可位于杆表面内。至少一个轴向延伸的且笔直的破裂槽可在杆的一部分表面中形成，并且可被设置成能够容纳破裂螺栓的破裂部。

止动螺栓可被置于致动器与第一套筒附接机构之间。破裂螺栓可被置于致动器与套筒嘴部之间。

在替代性的实施例中，套筒还可设有至少一个长度可位移的第二破裂螺栓；第二破裂螺栓可设有破裂保持部；当第二破裂螺栓被致动时，破裂保持部在套筒中向内伸出。第二破裂螺栓可被置于保持螺栓与止动螺栓之间。

本发明还包括设置为能够承受井操作的船，其中船的井操作设备包括如上所述的动态可伸缩吊卡提环。

在第二方案中，本发明涉及一种从船上进行井操作的方法，其包括使用如上所述的可伸缩吊卡提环，其中吊卡提环通过以下步骤被逐步地纵向调节：

使能由致动器来致动的保持螺栓从锁定位置移动到自由位置；

使吊卡提环的杆相对于吊卡提环的套筒沿共同的纵轴线位移，直到套筒中的贯通开口与杆中的一个孔直接地对齐；以及

使能由致动器来致动的保持螺栓从自由位置位移到锁定位置。

附图说明

以下描述在附图中示出的优选的实施例的形式，其中：

图1A-图1B示出了从两侧所见的伸缩式吊卡提环的端部以及中间部分的节段，中间部分由致动器以螺栓固定到吊卡提环上；

图2示出了沿图1中的线Ⅱ-Ⅱ的更大尺度的纵向节段；

图3A到图3C示出了伸缩式吊卡提环的更小尺度的正视图；其中，A示出运输位置，B示出处于工作位置，而C示出处于最大伸展位置；

图4示出了吊卡提环在工作位置的部分截面的又一尺度的正视图，且示出了吊卡提环的杆的端部和中间部的局部放大图；

图5以与图4相同的尺度示出了吊卡提环在其工作位置的截面的正视图，且示出了吊卡提环的杆的端部和中间部的局部放大图；

图6A-图6B以与图1相同的尺度示出了替代实施例中的吊卡提环；

图7A-图7C沿吊卡提环纵轴线以更大的尺度示出了不同的截面；

图8以与图2相同的尺度沿图6中的Ⅷ-Ⅷ线示出了替代实施例中的吊卡提环的纵向截面；以及

图9以不同的尺度示出了吊卡提环致动器、保持螺栓、破裂螺栓以及第二破裂螺栓的立体图。

具体实施方式

在附图中，附图标记“1”指代根据本发明的动态可伸缩的吊卡提环。吊卡提环1包括套筒2、杆3以及致动器4。在工作位置，套筒2的第一端部22设有第一附接机构24；第一附接机构24呈吊环件的形式，能够借助吊环件24的穿在一钩(未示出)上的吊环25被附接到该钩。杆3的第一端部32设有第二附接机构34；第二附接机构34呈吊环件的形式，能够借助吊环件34的吊环35被附接到起重机(未示出)。吊环件34在杆3的端部32处形成有台肩部38。

致动器4被附接到套筒2。致动器4可以是本身类型为公知的液压致动式致动器。致动器4被设置成，借助液压驱动式活塞45(活塞45通过活塞杆47被连接到保持螺栓42)，能够使保持螺栓42从如图2所示的自由位置位移到如图5B、图7和图8所示的锁定位置，并且返回到自由位置。致动器4以本身公知的方式通过端口49、49’来供应液压流体，并且这不再进一步讨论。保持螺栓42通过套筒2中的第一贯通开口26、并通过杆中的孔36、36’、36”位移，并且直到保持螺栓42的自由端部43与套筒2中的第二开口26’接合(见图7)。致动器4设有与活塞45一起移动的指示器44。当保持螺栓42处于自由位置时，如图2和图4所示，指示器44将经过致动器4的自由端部46伸出。当保持螺栓42处于锁定位置时，如图5和图8所示，指示器44的自由端部48将与致动器4的自由端部46齐平。由于本领域技术人员知道合适的致动器4可以如何设计，所以不再给出该致动器4的设计特征的更多解释。开口26、26’和孔36、36’、36”具有与保持螺栓42的截面互补的截面。致动器4沿垂直于吊卡提环1的纵轴线的方向使保持螺栓42位移。致动器4被附接到套筒2，且邻近套筒的嘴部28。

套筒2设有一个或多个止动螺栓5，一个或多个止动螺栓5位于致动器4与套筒2的第一端部22之间。止动螺栓5被可释放地附接在套筒2中的开口51内。如图7所示，止动螺栓5的保持部形成第一接触部，第一接触部在套筒2中越过套筒2的内壁21向内伸出。如图1、图3、图4、图7和图9所示，在杆3的一部分表面中形成有轴向延伸的笔直的止动槽52。止动槽52从杆3的第一端部32延伸，并且延伸到杆3的第二端部33；在第二端部33中，止动槽52在构成第一邻接部的第一台肩部54内终止。止动槽52的截面与止动螺栓5的保持部53互补配合。

套筒2设有一个或多个破裂螺栓6，破裂螺栓6位于致动器4与套筒2的嘴部28之间。破裂螺栓6被可释放地附接在套筒2中的开口61内。破裂螺栓6的自由端部构成破裂螺栓6的破裂保持部63，且在套筒2中越过套筒2的内壁21向内伸出。破裂螺栓6的自由端部形成第二接触部。如附图所示，在杆3的一部分表面中形成有轴向延伸的笔直的破裂槽62。破裂槽62从杆3的第一端部32延伸，并且延伸到杆3的中间部分；在杆3的中间部分中，破裂槽62在构成第二邻接部的第二台肩部64内终止(见图2、图5和图8)。破裂槽62的截面与破裂螺栓6的破裂保持部63互补配合。如图2、图7和图8所示，破裂螺栓6由本身公知的材料并且以公知的方式设有裂缝起始部66。本领域技术人员知道如何形成破裂螺栓6以达到所需的破裂强度。

如图5所示，杆3设有位于杆3的第一端部32中的第一孔36、位于杆3的第二端部33中的第二孔36’、以及位于杆3的中间部分中的第三孔36”。

如附图所示，动态可伸缩的吊卡提环1设有位于套筒2中的两个止动螺栓5、以及位于杆3中的两个附属补充止动槽52。这些止动螺栓5被沿直径相对地放置在套筒2上。吊卡提环1设有两个破裂螺栓6以及两个附属补充破裂槽62，破裂螺栓6和破裂槽62位于杆3中。这些破裂螺栓6被沿直径相对地放置在套筒2上，并且以90°的间距被放置在止动螺栓5上。在替代性的实施例中，吊卡提环1可设有三个或更多个止动螺栓5(两个止动螺栓5之间的间距小于180°)。在另一替代性实施例中，吊卡提环1可设有三个或更多个破裂螺栓6(两个破裂螺栓6之间的间距小于180°)。本领域技术人员还应知道可设有一个止动螺栓5和一个破裂螺栓6，而且止动螺栓5的数量可不同于破裂螺栓6的数量。杆3至少设有与止动螺栓5和破裂螺栓6的数量一样多的止动槽52和破裂槽62.

吊卡提环1可占据三个静态位置；在上述静态位置，保持螺栓42被位移到锁定位置。如图3所示，这三个位置是吊卡提环1的短工作位置、普通工作位置以及止动位置。在短工作位置(也等于吊卡提环1在运输和储存期间的位置)，保持螺栓42被推入杆3中的第一孔36内。

在静态的普通工作位置，保持螺栓42被推入杆3中的第三孔36”内。在静态的普通工作位置，杆3的第二台肩部64将抵靠在破裂螺栓6的破裂保持部63上，如图2、图5和图8所示。在临界操作的执行中，致动器4使保持螺栓42从锁定位置位移到自由位置，并且吊卡提环1处于动态的工作位置。杆3之后将借助第二台肩部64在吊卡提环1中张紧悬挂在破裂保持部63上。当船(未示出)相对于立管(未示出)向下移动时，破裂槽62允许杆3在套筒2中向内位移。因此，可避免吊卡提环1中出现向外定向的运动。

在意外情况下，例如在波浪高度超过波浪补偿器(未示出)的工作范围的情况下，吊卡提环1所暴露到的张力将超过破裂螺栓6的断裂极限值。破裂螺栓6在裂缝起始部66处破裂，并且杆3将不会通过第二台肩部64而受到阻挡。杆3将能够被进一步地拉出套筒2，并且可进一步地向外拉出，直到止动槽52中的第一台肩部54碰到止动螺栓5的保持部53为止。因此，可伸缩的且动态的吊卡提环1延伸到其最大值，但却使得套筒2和杆3仍然连接成一个单元。在这种意外情况下，杆3可自由地位移从而进出于套筒2，其中向内的运动由碰撞到套筒嘴部28上的台肩部38来限制，而其中向外的运动由碰撞到止动螺栓5上的保持部53(保持螺栓)的第一台肩部54来限制。杆的自由工作范围附加至波浪补偿器的工作范围并结合在一起，这样就使得船和设备免于意外情况下损坏。

一旦环境允许，悬挂吊卡提环1的钩被提升，直到止动槽52的第一台肩部54悬挂在止动螺栓5的保持部53上为止。保持螺栓42被致动器4位移到孔36”中的锁定位置。吊卡提环1之后处于止动位置。在此操作期间，无需人员出现在地面(甲板)上。吊卡提环处于这种套筒2和杆3不能相对于彼此位移的固定的构造中。之后，可执行必需的工作操作，从而能够返回到普通的操作情况。

在替代性的实施例中，如图6、图8和图9所示，吊卡提环1可设有第二可位移的破裂螺栓7。第二破裂螺栓7被外壳71包围。第二破裂螺栓7设有活塞75。活塞75设有指示器74，并且使得指示器74的自由端部78在第二破裂螺栓7未被致动时，穿过外壳71的端部而伸出。外壳71附接到套筒2。活塞75可按照本身公知的方式为液压驱动式活塞75，设有液压流体流经的端口79、79’，并且这不再进一步讨论。活塞75在致动时通过套筒2中的孔77来推动第二破裂螺栓7。第二破裂螺栓7设有破裂槽76。在致动时，第二破裂螺栓7的破裂保持部73将由破裂槽62容纳。

在破裂螺栓6如上所述地破裂之后，当在这种操作期间，情况允许无人出现在地面上时，第二破裂螺栓7可被致动。如上所述，同样不需要提升悬挂吊卡提环1的钩，直到止动槽52的第一台肩部54悬挂在止动螺栓5的保持部上。当确定破裂槽62的第二台肩部64处于第二破裂螺栓7上方的位置时，第二保持螺栓7被致动。

在替代性实施例中，杆3设有比以上描述的更多的额外的孔36。此方案的益处在于，吊卡提环1的长度可被设定为多个工作长度，且因此取代了具有固定长度的多个吊卡提环。本领域技术人员还应知道，吊卡提环的附接机构24或者附接机构34或者这两者在替代性实施例中可形成为叉形件，叉形件设有位于叉形尖头中的贯穿螺栓，用于以铰接方式保持设备。

Claims (12)

1.一种伸缩式吊卡提环(1)，被设置成能够在石油工业中的井操作中被动态地使用，其中，所述吊卡提环(1)包括：套筒(2)，设有第一附接机构(24)和嘴部(28)；以及杆(3)，被设置成能够相对于所述套筒(2)沿所述套筒(2)和所述杆(3)的共同的纵轴线伸缩式地位移；并且所述杆(3)设有至少一个垂直于所述杆(3)的纵轴线的通孔(36、36’、36”)，并且所述孔(36、36’、36”)被设置成能够容纳能由致动器来致动的保持螺栓(42)，其特征在于，所述杆(3)在其第二端部(33)设有至少一个第一邻接部，并且所述套筒(2)设有至少一个第一接触部；所述至少一个第一接触部被设置成，当所述套筒(2)和所述杆(3)呈现它们的最长的相对纵向位移量时，能够支撑所述杆(3)的第一邻接部。 

2.根据权利要求1所述的吊卡提环(1)，其特征在于，所述第一邻接部包括第一台肩部(54)，并且所述套筒(2)设有至少一个止动螺栓(5)；其中，所述止动螺栓(5)设有向内伸出且构成所述第一接触部的保持部(53)。 

3.根据权利要求2所述的吊卡提环(1)，其特征在于，在所述杆(3)的一部分表面中形成有至少一个轴向延伸的笔直的止动槽(52)，并且所述至少一个轴向延伸的笔直的止动槽被设置成能够容纳所述止动螺栓(5)的保持部(53)。 

4.根据权利要求1所述的吊卡提环(1)，其特征在于，所述杆(3)设有至少一个第二邻接部，并且所述套筒(2)设有至少一个第二接触部；所述第二接触部被设置成，当所述套筒(2)和所述杆(3)呈现出它们的最长的工作长度位移量时，能够支撑所述杆(3)的第二邻接部。 

5.根据权利要求4所述的吊卡提环(1)，其特征在于，所述第二邻接部包括第二台肩部(64)，并且套筒(2)设有至少一个破裂螺栓(6)；其中，所述破裂螺栓(6)设有向内伸出且构成所述第二接触部的破裂保持部(63)。 

6.根据权利要求5所述的吊卡提环(1)，其特征在于，在所述杆(3)的一部分表面中形成有至少一个轴向延伸的笔直的破裂槽(62)，并且所述至少一个轴向延伸的笔直的破裂槽被设置成能够容纳所述破裂螺栓(6)的破裂保持部(63)。 

7.根据权利要求2所述的吊卡提环(1)，其特征在于，所述止动螺栓(5)被置于所述保持螺栓(42)与所述套筒(2)的第一附接机构(24)之间。 

8.根据权利要求5所述的吊卡提环(1)，其特征在于，所述破裂螺栓(6)被置于所述保持螺栓(42)与所述套筒(2)的嘴部(28)之间。 

9.根据权利要求2所述的吊卡提环(1)，其特征在于，所述套筒(2)还设有至少一个纵向可位移的第二破裂螺栓(7)；所述第二破裂螺栓(7)设有在所述第二破裂螺栓(7)被致动时在所述套筒(2)中向内伸出的破裂保持部(73)。 

10.根据权利要求9所述的吊卡提环(1)，其特征在于，所述第二破裂螺栓(7)被置于所述保持螺栓(42)与所述止动螺栓(5)之间。 

11.一种被设置成能够承受修井操作的船，其特征在于，所述船的修井设备包括根据权利要求1所述的吊卡提环(1)。 

12.一种从船上进行井操作的方法，所述方法包括使用根据权利要求1所述的动态可伸缩的吊卡提环(1)，其特征在于，所述吊卡提环(1)通过以下步骤被逐步地纵向调节： 

使能由致动器来致动的保持螺栓(42)从锁定位置位移到自由位置； 

使所述吊卡提环(1)的所述杆(3)相对于所述吊卡提环(1)的所述套筒(2)沿共同的纵轴线位移，直到所述套筒(2)中的贯通开口(26)与所述杆(3)中的一个孔(36、36’、36”)直接地对齐；以及 

使所述能由致动器来致动的保持螺栓(42)从所述自由位置位移到所述锁定位置。