CN104093927B - 钻管操纵装置和方法 - Google Patents

Abstract

钻管操纵装置和用于操纵钻机中的钻管的方法，尤其涉及用于排放在石油钻机中的钻管的装置和方法。该管操纵装置包括管接合部、用于移动该管接合部的可移动的定位单元，以及用于将该装置安装到钻井架腿上的安装件。

Description

钻管操纵装置和方法

技术领域

本发明涉及钻管操纵装置(drilling-pipe handling apparatus)和用于操纵钻机中的钻管的方法，尤其涉及用于排放(racking)石油钻机中的钻管的装置和方法。

背景技术

陆基石油钻机的例子如图1所示。该钻机典型地包括钢制井架或钻塔，总体上示出为10，其具有形成盒子状的塔的四条腿12a-d，该塔在一侧开口，而在其他三侧上受到支撑。在井架顶部有绞盘系统14形式的提升设备，包括已知为天车16的静止部和已知为游动滑车或游动组件18的可动部。该井架安装在下结构20上，该下结构包括平台或钻探底板22，其中心具有孔，称为钻井中心24。

钻探通过图2所示的钻管26实现。所述钻杆26端部到端部地连接在一起，以形成钻柱，最下面的管附接到钻头28上。钻管包括中空钢管，其端部具有公类型和母类型30a和30b的带螺纹的套筒部30，用于将管耦接在一起。钻管典型地长约10m，通常二个或三个地耦接在一起，以形成所谓的立杆，其长度可以在30m左右。图2a更详细地示出了两个管耦接的细节。

所述立杆通过游动组件下放到井中心内或从井中心提升上来。钻柱通过旋转驱动器(未示出)旋转，以实现钻探，当钻探逐渐切割深入到地下时，新的立杆添加到井中心处。

当立杆未使用时，它们以其端部安放在已知为立根盒(set-back)32的下结构区域中，该立根盒通常包括木头甲板，从而保护带螺纹的套筒，使其免受损坏。朝着它们的上端部，立杆支撑在所谓的排放板34中的分隔排中，从而当需要时，可以一个接着一个地获得立杆。排放板典型地安装到井架的侧面上，在井架上部一半到三分之二处之间。

当钻机首次设立时，单独的钻管首先通过游动组件提升到井架内。然后两个或三个管将连接在一起，以形成立杆。然后立杆安放在立根盒区域中，其上端部位于排放板34中。

当开始钻探时，必须将立杆操纵到井中心内用于附接到游动组件上。当钻探达到更大的深度时增加立杆。当完成钻探时，或者当钻头或钻管必须修理更换时，进行逆向操作。立杆从井中提出，断开耦接并被操纵到其在立根盒区域和排放板中的存储位置。

以往管和立杆在井中心和立根盒之间的操纵通过操作者手动地进行，该操作者位于排放板中心的走道上，该排放板已知为猴板(monkey board)。该任务可能是很危险的，不但是因为操作者要对地面上高几十米的重管进行作业，而且因为游动组件，其作为装置中沉重的部件，靠近操作者工作的位置而高速地上下游动。

为此，最近几年已经试着将排放和回收钻管/立杆的过程机械化，甚至自动化。之前为此考虑的装置典型地包括重负荷的排放模块，其具有框架，该框架至少部分地在排放板上方跨越井架的内部，其特征是承载机构设置用于两个维度上的运动，其上安装有液压夹持臂，用于夹持和提升立杆到位置上。

该类排放装置具有几个缺点。首先，因为该装置大而重，井架自身也必须足够大以支撑它。这通常意味着花费更多时间安装并在钻探操作完成时最终移除该装置。在陆地钻探操作中，例如比起离岸钻探，优选地采用较小的、容易便携的钻机，从而一旦钻探操作完成，整个装置可以快速地移动到其他地方。

已有的机械和自动排放装置的另一个缺点是，当自动化或机械化发生故障时，通常只有一种选择，即返回到手动操纵。在一些先前考虑的自动排放系统中，甚至这种选择也不行，因为当排放系统不运行时，装置的几何结构阻止到达井中心。

上述缺点是昂贵的，因为当钻机实际没有钻探时，它们导致了停工时间的增加。这对钻探公司是无利润可言的，必须保持绝对最小化。

因此需要提供一种排放系统，其足够坚固和稳定，同时相对较轻，容易拆卸，并能够在发生故障时手动操作。

发明内容

本发明的实施方式旨在解决这些问题。

本发明限定在本申请的独立权利要求中，现在将参考它们。进一步优选的特征可以在其从属权利要求中找到。

根据本发明的一个方面，提供用于操纵钻管的管操纵装置，该装置包括管接合部、用于移动该管接合部的可移动的定位单元，以及用于将该装置安装到钻井架的腿上的安装件。

优选地，该装置可安装到井架的单条腿上。可选地，该定位装置可安装到钻井架的一对腿上。

该定位单元可以设置用于在使用时相对于该安装件和/或相对于腿或一对腿周向地和优选地还径向地移动该管接合部。

该管接合部可以包括用于夹持钻管的夹持件，和用于保持钻管的至少一个保持件。该夹持件和该保持件或每个保持件可以安装用于相互离开和靠近地移动，从而升高和降低管。

该定位单元还可以设置用于在使用时相对于该钻井架的腿平动地、旋转地和上下地移动该管接合部。在优选实施方式中，该管接合部包括夹持件，该夹持件能够相对于该钻井架的腿平动地、旋转地和上下地移动。

在优选的装置中，夹持件和保持件安装用于可相对于彼此伸缩或滑动地接合。夹持件和保持件中的一个或两个可以安装在液压作动器上或螺杆上。

该管接合部还可以包括引导头。合适的引导头将包括单个钩形臂。

夹持件可以包括夹持爪或模。保持件可以包括套筒并可以包括保持指杆。

定位单元可以包括定位臂，优选地包括上臂部，该上臂部具有连接到安装件上的近端部和连接到管接合部上的远端部。在优选设置中，上臂部的近端部可枢转地连接到安装件上。上臂部的远端部优选地可枢转地连接到管接合部上。

定位臂优选地包括下臂部，该下臂部具有连接到安装件上的近端部和连接到管接合部上的远端部。

在优选设置中，下臂部的近端部可枢转地连接到安装件上。下臂部的远端部优选地可枢转地连接到管接合部上。

定位臂优选地连接到升/降装置上，该装置优选地包括液压作动器。

替代地或附加地，定位单元可以包括承载框架，该承载框架附接到安装部上，且优选地可旋转地安装到其上。承载框架可以承载传动齿条，该传动齿条设置用于相对于承载框架平移运动。

安装件可以安装用于相对于井架的腿旋转运动，该运动优选地允许定位臂相对于井架的腿枢转运动。安装件的旋转运动可以通过一个或多个旋转作动器而实现。

在优选设置中，定位单元安装用于相对于腿枢转和/或旋转运动。

安装件可以包括延伸件，用于将定位臂进一步从井架的腿间隔开。

在优选设置中，该装置包括一对这样的装置中的一个，每个这样的装置相对于钻井架的腿安装。

该装置优选地可机械地运行，更优选地可液压地运行。该装置的一个或多个运动类型，或者它们的全部，可以自动化地进行，该自动化可以在计算机的控制之下进行。

该装置可以包括用于存储钻管的支架。该支架可以包括多个用于容纳多个管的槽。所述槽可以通过伸长的指杆限定，所述指杆优选地是弓形的(arcuate)，并可以平行地设置。所述槽优选地设置为基本平行、径向的构造。在优选设置中，支架具有两组槽，该槽设置在径向构造中，半径具有不同的中心。

此外，该装置适合用于传统的“X-Y”型排放系统或设置中。

本发明还提供用于在钻机中在管存储位置和操作位置之间传送钻管的方法，该方法包括可松开地接合管与管接合装置以及使用定位单元相对于该单元所安装到的钻井架的腿至少在径向和周向上移动该管接合装置。

优选地，该方法包括采用所述管接合装置的夹持件夹持该管，采用该管接合装置的保持件保持该管。

该方法可以包括相对于彼此可伸缩地移动该夹持件和保持件。

该方法可以包括机械地、优选地在计算机控制下以自动化的方式传送管。

在优选设置中，该方法包括在排放板和钻机的井中心之间传送管。该方法可以包括至少部分地在径向运动中将管传送到排放板和从排放板传送管，从而使得所述管设置在排放板中或从排放板移除，所述排放板具有一个或多个径向构造的管容纳槽。

本发明还包括钻机，其包括根据这里任何所述的管操纵装置。

附图说明

本发明从下面结合附图的详细说明中得到最好的理解。需要强调的是，根据产业中的标准实践，各种特征没有依比例绘制。事实上，为清晰说明，不同特征的尺寸可以任意地增加或减少。

本发明可以包括这里公开的特征和限定的任意组合，除非这样的特征组合互相排斥。

现在将参考附图仅通过示例描述本发明的优选实施方式，其中：

图1示意性地表示根据现有技术的陆基钻机(land-based drilling rig)；

图2和2a表示用于钻机的钻管；

图3示意性地表示根据本发明实施方式的管操纵装置；

图4-6以示意平面图表示用于图3实施方式的排放板的可选实施方式；

图7表示被提升到钻井架上的位置内的管操纵装置的可选实施方式；

图8更详细地表示图7的管操纵装置；

图9以部分延伸的构造表示图7和8的管操纵装置；

图10以进一步延伸的构造表示图7-9的管操纵装置；

图11表示图7-10的管操纵装置，其安装在钻井架的一对腿上；

图12表示图7-11的管操纵装置，其中将要夹持管；和

图13表示图7-11的管操纵装置，其中正夹持在井中心处的管。

具体实施方式

需要理解的是，下面的说明提供了多个不同的实施方式，或者例子，以实现不同实施方式的不同特征。在下面描述组件和设置的具体例子，以简化本发明。这些当然仅仅是例子而不旨在限定。此外，本发明在不同例子中可能重复参考标号和/或字母。该重复是为了简化和清楚，本身不指示讨论的不同实施方式和/或构造之间的关系。而且，在说明中，第一特征在跟随的第二特征上方或上面的形式可以包括这样的实施方式，其中第一和第二特征形成为直接接触，还可以包括实施方式，其中其他特征可以形成为插入在第一和第二特征之间，从而使得第一和第二特征可以不直接接触。

参见图3，该图表示井架10的一部分，包括根据本发明实施方式的排放装置。

根据本发明的实施方式，排放装置40包括两个排放装置42和44，它们分别附接到两条腿12a和12d上，所述腿形成井架的开口侧的框架。在排放装置上面的是排放板34，其中容纳有管或立杆。两个装置42和44的每个包括直立的底件46，其安装用于在各自的腿12a或12d上旋转运动。在底件46上安装有上臂48和枢转下臂50，它们一起支撑直立可伸缩的管夹持件52。在管夹持件的上端部有夹持头54，包括用于夹持管26的可液压操作的爪，而管夹持件52的下端部有引导头56，其具有保持指杆58，用于引导和松弛地保持管26。管可相对于引导头56自由滑动和旋转。

通过一对旋转作动器60，底件46绕着其所安装的腿旋转。上臂48通过升臂液压缸62作动，该液压缸操作用于从腿12径向地提出夹持件52并放回。夹持的管26的第三运动度通过在夹持件52上的夹持头54的液压伸缩装置64实现。这允许管26相对于引导件56平移地升高和降低。

通过旋转、径向和平移提升运动的组合，排放组件能够在排放板34和井中心(图中未示出)之间操纵管26。作动器60、提升缸62和伸缩装置64通过计算机(未示出)完全自动化运行地控制。作为替代，在非自动化操作中，操作者可以采用机械控制。如果该装置完全失去电力，一个或多个操作者可以手动操作该装置以移动管。

在图3中，安装在右手侧腿12d上的排放组件可运行以移动管26，而安装在腿12a上的组件没有活动而处在“停止”构造中。由于夹持件和管相对于井架的腿的旋转运动，排放板具有弓形的支撑指杆34a和34b。为了实现管的充足存储，排放板具有两组指杆34a和34b，它们在相对的弓形的方向上延伸。成对的排放组件能够以互补方式一起作业，以接近相对的排放指杆34a和34b对。

图4-6表示图3的装置的一部分，具有排放板34的不同实施方式，用于容纳不同数量的管或立杆。在每种情形下，安装在井架腿12d上的排放组件可运行，而安装在井架腿12a上的其他排放组件是停止的。可选地，两个排放组件交替工作，或者用一个工作以存取在排放板一侧中的所有管，然后另一个工作以存取在排放板的另一侧上的所有管，从而允许部署所有管。尽管排放板在三个图中具有不同尺寸，排放组件的移动性足够通用，使得管/立杆26能够从在两组弓形的支撑指杆34a和34b之间的任何位置收回并存储。

尽管在上述实施方式中，排放组件直接安装到井架的腿上，可选地，例如它们也可以经由中间结构(未示出)间接安装到腿上，从而允许更大的管/立杆容量。

当立杆需要从排放板带到井中心时，排放组件首先朝着排放的管摆动并选择立杆。然后，在离开立根盒向上提升之前，该管分别通过夹持头54和引导头56夹持和保持。然后，排放组件转动以面对井中心24并起落，从而将管提供到井中心。然后该管下放到从井中心突出的已有钻柱的一部分上(称为竖立)，然后排放组件松开其对管的夹持，同时将其保持在引导头中。然后新出现的管通过螺纹接合连接到井下柱上，该接合采用称为“套管钻工(roughneck)”(所谓的“上扣”过程)的传统动力工具。立杆的顶部然后连接到游动组件上，排放组件松开管，摆动开来并在回到排放的管之前最终起落回来，并重复该过程。

相反的过程涉及通过游动组件从井中心拉动立杆-通常是三层管(triple pipe)，直到立杆底部离平台具有足够的间隙(大约1m)。然后排放组件摆动回进来并以其引导头保持该立杆。然后套管钻工将立杆与井下柱断开连接(所谓的“断开”过程)。然后夹持头夹持立杆，于是游动组件断开连接，而立杆只通过排放组件保持着。然后排放组件收回一点并朝着排放板转动。当管位于在排放板的支撑指杆之间的合适位置中时，将其下放到立根盒上。然后夹持头54松开其夹持且保持指杆58打开，以允许管从排放组件断开接合，该排放组件回到井中心以回收下一个立杆。

现在回到图7，该图表示根据本发明的管操纵装置的另一个实施方式。

该装置包括主外壳70，其用作安装件，可安装到钻井架74的一对腿72a、72b上。在安装过程中，主外壳通过起重机(未示出)提升到位，从而使得其能够螺栓连接到腿72a、72b上的两个支撑支架76a、76b上。安装到主外壳70上的是可移动的定位单元，其为承载框架78的形式，该框架支撑管接合部80，该管接合部将在下面描述。该主外壳还包括箱式平台82，其在使用时容纳储油器、电机、泵和控制阀(未示出)。

该平台如上文关于第一实施方式所述那样，其进一步的描述得以省略。为清楚起见，图8省略了井架，并以更详细的视图表示主外壳。承载框架具有驱动电机84，其与操纵组件80的传动齿条86接合。当驱动电机作动时，操纵组件80可以相对于承载框架78线性行进。

承载框架78可旋转地安装到主外壳上，并可以通过旋转作动器88的操作使其相对于主外壳旋转。

管操纵组件80包括上引导头90和下引导头92和管夹持件94。上引导头90是单个钩形臂，而下引导头92包括保持指杆92a。管夹持件94具有可液压作动的可动爪94a，其在使用中用于夹持管。

在操纵组件的顶部，电机96驱动螺杆(图中未示出)，以相对于承载框架升高和降低夹持件94。夹持件94在轨道94b之间上下地在行进承载件94a上行进。然后，夹持件94和其在使用时夹持的任何管得以允许相对于该装置所安装的钻井架的腿平动、旋转和上下运动。

图9表示与图8所示不同构造的管操纵装置。承载框架78从主外壳70枢转开。此外，夹持件94通过电机96相对于引导头90和92而升高。

图10是图7-9所示装置的不同视图。从下面看，该图表示承载框架78，其从主外壳70进一步枢转开，其中管夹持组件80处于离承载框架最大延伸处。图中可以清楚看到螺杆98，其通过电机96驱动以升高和降低夹持件94。

图11表示安装在井架的腿72a和72b上的装置。钻管部100通过夹持件94夹持。管部100通过可移动的夹持件94牢固地保持，并可以通过上引导头90和下引导头92上下滑动。该图还示出了另一组管操纵装置，其安装在相对的一对腿72c和72d上。为清楚起见，省略其细节。

图12表示图11的管操纵装置，其朝着钻井中心移动管，以与钻柱102接合。承载框架78从外壳70枢转出来，但是管夹持组件80尚未从承载框架78延伸。

最后，图13表示一种装置，其中钻管部100在井中心。承载框架从主外壳枢转走，从而夹持组件完全延伸到井中心。

本实施方式的装置如同前面实施方式详细描述的那样以相同方式在排放组件和井中心之间移动管立杆。

在上面所述的实施方式中，液压地控制机械部件。然而，根据环境和上下文，可以采用可选的机械和/或控制形式。

本发明的实施方式提供了简单、相对轻量的排放组件，其能够容易地安装到井架的腿上并从其上拆卸。该装置理想地是自动化的，并在计算机控制之下。如果控制计算机故障，该装置可以采用液压系统以非自动化的方式机械地控制。而且，如果液压故障，该装置可以手动地使用，从而确保停工时间最小化。

尽管在前面的说明中致力于关注相信尤其重要的那些特征，需要理解的是，申请人要求保护这里提到和/或附图所示的任何可专利特征或其组合，不管是否特别进行了强调。

上面概括了多个实施方式的特征，从而使得本领域技术人员可以更优选地理解本发明的各个方面。这样的特征可以替换以多个等同替代物中的任一个，这里只描述了其中的一部分。本领域技术人员将理解的是，它们可以容易地采用本公开作为设计或改进其他过程和结构的基础，以用于相同的目的和/或实现这里引入的实施方式的相同的优点。本领域技术人员还应当认识到，这样的等同结构没有脱离本发明的精神和范围，它们可以在这里做出各种改变、替换和选择，而不脱离本发明的精神和范围。

而且，本发明的摘要提供用于允许读者快速确定技术公开的属性。需要理解的是，摘要不用于解释或限定权利要求的范围或含义。

Claims (21)

1.用于操纵钻管的管操纵装置，该装置包括管接合部、用于移动该管接合部的可移动的定位单元，以及用于将该装置安装到钻井架的腿上的安装件，其中所述定位单元安装用于相对于所述钻井架的腿旋转运动，并且设置以在径向和周向上相对于所述安装件和所述腿至少之一移动该管接合部，其中该管接合部包括用于夹持钻管的夹持件和至少一个用于保持钻管的保持件以使管相对于保持件自由滑动和旋转，该夹持件和该保持件相对于彼此可伸缩地安装；其中该装置配置为传送钻管到管存储排放板并从该排放板传送钻管，该排放板具有弓形的支撑指杆，该支撑指杆限定出弓形的轨道，该轨道用于接收和存储由该装置传送的钻管。

2.用于操纵钻管的管操纵装置，该装置包括管接合部、用于移动该管接合部的可移动的定位单元，以及用于将该装置安装到钻井架的腿上的安装件，其中所述定位单元安装用于相对于所述钻井架的腿旋转运动，并且设置以在径向和周向上相对于所述安装件和所述腿至少之一移动该管接合部，其中该管接合部包括用于夹持钻管的夹持件和至少一个用于保持钻管的保持件以使管相对于保持件自由滑动和旋转，其中所述夹持件和所述保持件安装用于通过螺杆的离开或靠近的相互移动，以升高和降低该夹持件；其中该装置配置为传送钻管到管存储排放板并从该排放板传送钻管，该排放板具有弓形的支撑指杆，该支撑指杆限定出弓形的轨道，该轨道用于接收和存储由该装置传送的钻管。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述夹持件包括夹持爪。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述保持件包括套筒和保持指杆。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述保持件包括套筒和保持指杆。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述定位单元设置用于在使用时相对于该钻井架的腿平动地、旋转地和上下地移动该管接合部。

7.根据权利要求6所述的装置，其中所述管接合部包括夹持件，该夹持件被允许相对于该钻井架的腿平动地、旋转地和上下地移动。

8.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述管接合部还包括引导头。

9.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述定位单元包括上臂部和下臂部，所述上臂部和下臂部具有连接到该安装件上的近端部和连接到该管接合部上的远端部。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述上臂部和下臂部可枢转地连接到安装件和管接合部。

11.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述定位单元连接到包括液压作动器的升降装置上。

12.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述定位单元包括承载框架，该承载框架附接到安装部上并可旋转地安装在其上。

13.根据权利要求12所述的装置，其中所述承载框架承载传动齿条，该传动齿条设置用于相对于该承载框架进行平移运动。

14.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述安装件可安装用于相对于该钻井架的腿进行旋转运动。

15.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述装置包括用于存储钻管的支架。

16.根据权利要求15所述的装置，其中所述支架包括多个用于容纳多个管的槽，所述槽设置为基本平行、径向的构造。

17.用于在钻机中在管存储位置和操作位置之间传送钻管的方法，该方法包括可松开地接合管与管接合装置，以及使用定位单元，所述定位单元安装用于相对于在该单元所安装到的钻井架上的腿旋转运动，以至少在径向和周向上相对于所述腿移动该管接合装置，其中该方法包括采用所述管接合装置的夹持件夹持该管，采用该管接合装置的保持件保持该管，以使管相对于保持件自由滑动和旋转，其中所述夹持件和所述保持件安装用于相互离开或靠近地移动，并且其中所述方法包括相对于彼此可伸缩地移动该夹持件和保持件；其中在钻机中的该管存储位置包括排放板，该排放板具有弓形的支撑指杆，该支撑指杆限定出弓形的轨道，该轨道用于接收和存储钻管。

18.用于在钻机中在管存储位置和操作位置之间传送钻管的方法，该方法包括可松开地接合管与管接合装置，以及使用定位单元，所述定位单元安装用于相对于在该单元所安装到的钻井架上的腿旋转运动，以至少在径向和周向上相对于所述腿移动该管接合装置，其中该方法包括采用所述管接合装置的夹持件夹持该管，采用该管接合装置的保持件保持该管，以使管相对于保持件自由滑动和旋转，其中所述夹持件和所述保持件安装用于相互离开或靠近地移动，并且其中所述方法包括移动该夹持件和保持件使用螺杆以升高和降低夹持件；其中在钻机中的该管存储位置包括排放板，该排放板具有弓形的支撑指杆，该支撑指杆限定出弓形的轨道，该轨道用于接收和存储钻管。

19.根据权利要求17或18所述的方法，其中所述方法包括在排放板和钻机的井中心之间传送管。

20.根据权利要求17或18所述的方法，其中所述方法包括至少部分地在径向运动中将管传送到排放板和从排放板传送管，从而使得所述管设置在排放板中或从排放板移除，所述排放板具有一个或多个径向构造的管容纳槽。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述方法包括至少部分地在径向运动中将管传送到排放板和从排放板传送管，从而使得所述管设置在排放板中或从排放板移除，所述排放板具有一个或多个径向构造的管容纳槽。