CN104265203B - 一种管具处理装置 - Google Patents

Abstract

一种用于处理钻杆立根和钻铤立根的管具处理装置。该管具处理装置提高了旋转钻井作业的安全性和效率。管具处理装置与井架二层台相结合，远离在井架内的重型机械。在起下钻过程中使用管具处理装置来转运、存储和替换钻杆立根和钻铤立根。

Description

一种管具处理装置

引用的优先权

本申请要求于2013年10月17日提交的美国专利申请No. 14056620的优先权，其特此通过引用将其整体合并。

技术领域

本发明涉及一种对油气井实施旋转钻探作业的设备。更具体地，本发明涉及一种用于处理钻杆立根和钻铤立根的装置。

背景技术

在石油或天然气钻井作业过程中，井架是设备的支撑结构，该设备用来升降钻柱以便钻柱进出井眼。钻柱由钻杆和钻铤连接而成，将扭矩和钻井液输送到钻头。用转盘或顶部驱动装置提供扭矩以旋转钻柱，进而旋转钻头进行钻进。钻铤是接近钻头的钻柱区段，是传统钻杆和钻头之间的厚壁管，钻铤的质量比钻杆大，向钻头提供了更多的压力。随着钻井深度的增加，立根将被插入井架和较重的钻铤之间。

钻井深度可以达到数千英尺。虽然钻头由坚硬材料（诸如碳化钨）制成并且由钻井液持续润滑，但是钻头的磨损是不可避免的。因此，在钻井过程中整个钻柱必须被移除以便替换损坏的钻头。钻柱也可以为了替换其它设备（下套管）或其它原因而被移除。钻柱的移除和替代过程被称为“管具操作”。

在管具操作过程中，一部分钻柱被从井眼拖出并向上进入到井架中。通常长度大约30英尺的立根在称为立根连接的区域内被移除。立根的钻杆数量由井架的高度决定。立根通常由三根钻杆组成，但是也可以由两根或四根钻杆组成。当立根从井眼拖拉出来时，立根可螺纹旋拧地与其下的钻柱解开。被解开的立根由连接在钻台以上超过90英尺处的钻井钢丝绳的吊卡所悬挂。

通常五个人一组包括两个钻台工和一个井架工，他们在管具操作过程中使用重型设备以及消耗重体力来拆卸和重新组装立根和暂时存储立根。立根的下部分停靠在立根盒上。立根的上部分在二层台的内。通过齐心合力，井架工将悬挂着的立根的顶部从井眼中心线拖拉开，同时钻台工将悬挂立根的下部分推向立根盒。钻井钢丝绳将立根下降到立根盒上，井架工在指梁内卡住立根的上部分，这样就是管具操作过程中的暂时存储立根。该过程被重复直至所有的立根和钻铤（经常包括数以千计英尺的总长度）被移除。在替换钻头或其它设备后，此过程倒转以将所有已经起出的钻铤和立根重新插入井眼中，从而继续钻井过程。

管具操作过程非常危险。井队人员并肩工作使用能够施加非常大力的重型设备和机械。井架工是一个人在钻台以上超过90英尺处工作。钻井过程通常每天持续24小时，即使天气恶劣也不例外。钻井泥浆（粘性但湿滑的水合多糖悬浮物）从钻杆溢出、充满钻台和设备并模糊了防护眼镜。人为错误、疲劳、极端天气条件和化学污染物均对管具操作带来危险。国际钻井承包商协会（IADC）将管具操作定义为最浪费时间且具有可记录伤害的作业。IADC将钻杆和钻铤视为在钻机事故后对最浪费时间负责的设备。

钻井行业试图通过开发机械立根处理设备来消除与钻台工作人员有关的危险。

美国专利No. 3,633,767描述了使用可折叠且朝向井眼中心伸缩立根的立根排放装置。美国专利No. 4,013,178描述了具有机动臂的立根排放装置，所述立根排放装置可以围绕轴线枢转但要求用于处理钻铤的额外提升系统。美国专利No. 4,044,895描述了包括可旋转滑道的钻杆排放装置，所述滑道将单一钻杆而不是立根定位在容器内。美国专利No. 4,117,941、No. 4,274,778和No. 4,621,974描述了包括上机械手和下机械手用于处理立根的装置，要求对井架的上部区段和下部区段做出大量修改。美国专利No. 4,345,864描述了具有夹头的伸出臂的立根移动装置，但依赖于包括蜗轮、链条、传动链轮和其它齿轮的用于作业的运动零件。美国专利No. 5,183,122描述了用于提升或下降立根的井架，所述井架包括井架框架、指梁、台架和夹紧单元。美国专利No. 6,343,662描述了具有可移动支撑托架且将立根传送到存储区域的液压钻机。美国专利No. 6,821,071描述了具有可旋转臂支撑构件以移动立根的顶部，和安装在钻台上的立根格子的自动立根排放装置。美国专利No. 7,731,746描述了安装在连接井架的可旋转组件的管具机械手。

现有技术的机械立根处理装置包括用于沿着向前、向后、向上、向下和环形或旋转运动的机构。沿着多个方向运动的机构是难以实用的复杂设备。在本领域中存在对于简单、紧凑、有效和稳定的机械立根处理装置的需求，所述装置不需要井架工并可以连接现有井架。在本领域中也存在对分离向前和向后、向上和向下以及旋转运动的机构的需求。当本发明描述一定程度的特殊性时，应该注意到本发明的构造及其部件的布置的细节可以做许多修正，而不偏离本发明的精神和范围。应该理解本发明不受限于为了范例的目的而在本文中提出的实施例。

发明内容

一种管具处理装置包括可伸缩抓臂、吊运装置、立根处理器和二层台。抓臂可从抓臂壳体伸长并可缩回到抓臂壳体内的停止位置。抓臂包括用于夹紧钻杆立根和钻铤立根的夹持机构。吊运装置包括用于横向移动和纵向移动的装置。吊运装置连接立根处理器，并包括用于旋转立根处理器的装置。立根处理器可旋转地连接吊运装置。立根处理器包括立根夹持机构和用于垂直地移动立根夹持机构的装置。立根处理器可定位在二层台内的任何位置处。立根处理器包括外管和内管，所述内管沿着基本垂直的方向可伸缩地进出所述外管。各管包括足够大以允许一部分的钻杆或钻铤穿过的开口。

管具处理装置与二层台整合。二层台包括从井架向外基本水平地延伸的框架，所述框架连接井架。管具处理装置包括用于向前、向后、向上、向下和旋转运动的单独机构。

本发明描述了一种用于在旋转钻井作业过程中处理钻杆立根或钻铤立根的方法。本方法包括：从抓臂壳体延伸抓臂，张开连接到抓臂的夹持装置，使用夹持装置抓取在井架内的钻杆立根或钻铤立根，缩回抓臂以便将所述钻杆立根或所述钻铤立根定位在旋转中心位置处的立根处理器内，使用连接立根处理器的夹持机构来夹紧钻杆立根或钻铤立根，张开夹持装置以使夹持装置从钻杆立根或钻铤立根脱离，抓臂缩回至抓臂壳体内的停止位置，旋转立根处理器，将钻杆立根或钻铤立根移动到在指梁内的期望位置，降低钻杆立根或钻铤立根，张开立根处理器夹持机构以释放钻杆立根或钻铤立根，以及将立根处理器返回到旋转中心位置。

附图说明：

图1显示了连接井架的管具处理装置。

图2显示了为了清晰而移除井架后的管具处理装置。

图3显示伸长的抓臂和抓取立根的夹持装置。钻杆处理器使用面朝立根的开口来定位。

图4显示了在抓臂壳体内完全缩回的抓臂和由立根处理器夹持机构夹紧的立根。

图5是具有完全回缩的抓臂的管具处理装置的顶视图。

图6是夹持机构的示意图。

图7A和7B是夹持装置及手指的示意图。

图8是立根处理器的侧视图。

具体实施方式

下面根据在附图和在以下说明书中详细说明的非限制性实施例更充分地解释了其特征和优点。然而，应该理解，详细的说明和具体的例子在指示本发明的实施例的同时仅仅是以图示方式而不是以限制性的方式给出。通过此公开，各种替代、修正、添加和/或再布置将对本领域的一般技术人员将变得显而易见。

在以下说明中，提供了许多具体的细节以便提供对公开实施例的彻底了解。然而，本领域的一般技术人员应理解，没有本发明的一个或多个具体细节或通过其他方法、部件和材料等就可以实现本发明。在一些例子中，没有详细地示出或描述众所周知的结构、材料或操作以避免模糊本发明。

管具操作过程包括将钻柱从井眼中抽出，重复地移除钻杆立根和钻铤立根，存储在指梁中，在立根的端部处替换钻头或其他设备，以及，逐步地对立根重新组装并再插入到井眼中。因为在立根的再插入过程中的立根处理程序基本与立根移除相反，因此以下仅仅描述了移除程序。

根据附图，其中类似的附图标记在各视图中表示对应的零部件，管具处理装置10与二层台11相整合并被连接石油或天然气钻机的井架12。为了清晰起见，已经省略了井架部件。二层台11包括装置的侧面、后部和台面。管具处理装置10包括容纳在抓臂壳体26内的抓臂22和可旋转地连接到吊运装置16的立根处理器24。立根处理器24的默认位置是旋转中心（RC），其中，立根处理器24的旋转轴线与抓臂壳体26的中心线对齐，立根处理器24的开口的中心线朝向井眼轴线， 且夹持机构20充分地张开。吊运装置16包括用于横向和纵向地移动的独立机构。吊运装置16的纵向移动由支架36、小齿轮38和小齿轮马达48控制，支架36沿着二层台11的一个或两个上部纵向主梁46定位。吊运装置16的横向移动由水平相对的双液压缸42，44所控制。吊运装置横向和纵向移动可以是协同的或独立的。

在管具移除过程中，立根14悬挂在井眼上方。抓臂22在张开状态下从抓臂壳体26朝向具有夹持装置18的悬挂立根14延伸。夹持装置18包括手指19，其用来靠近以抓取立根14并缩回以释放立根14。用于靠近和缩回夹持装置手指的机构对本领域的技术人员来说是公知的。当夹持装置18到达立根14时，夹持装置18抓取和固定在井眼上方的立根14。立根14的固定限制了接近钻台的立根下部的摆动。通过夹持装置18和随后通过夹持机构20对立根14的固定排除了对接近钻台的立根下部的补充支撑的需要。抓臂22朝向抓臂壳体26缩回，立根14的上部在被定位在旋转中心（RC）处的立根处理器24内。立根处理器夹持机构20抓握立根14，夹持装置手指19缩回以便使夹持装置18脱离立根14。抓臂22然后缩回到抓臂壳体26中。

管具装置的旋转马达40旋转立根处理器24使得开口朝向抓臂夹持装置18。立根14朝向二层台11下降，并离开在井架12内侧的重型设备。横向和纵向的吊运装置移动机构具有将立根14定位在指梁28内的功能。水平液压缸42，44将吊运装置横向地移动到使立根处理器24的旋转轴线与在指梁和抓臂壳体26之间的缝隙的中心对齐的位置。小齿轮马达48纵向地移动立根处理器24直至立根14到达适当的指梁位置。水平液压缸42或44沿着在指梁之间的缝隙横向地将立根处理器24移动到期望位置。垂直液压缸34伸长使，内管30脱离外管32下降下部夹持机构20和立根14直至立根14接触钻台上的立根盒。夹持机构20张开并将立根14设置在指梁28内的适当位置处。立根处理器24沿着相对于立根处理器的开口的反向移动，以使夹持机构20和立根处理器24离开立根14。立根处理器24然后返回到RC从而等待另一个立根。在一些实施例中，管具装置的旋转马达40在立根14下降到立根盒以便设置立根之前旋转立根处理器24。

权利要求不应解释为包括装置加功能或步骤加功能的限制性，除非这种限制性在使用短语“用于...的装置”或“用于…的步骤”的权利要求中明确地陈述。

Claims (7)

1.一种管具处理装置，其包括：

可伸缩抓臂，所述抓臂可从抓臂壳体伸出，所述抓臂可缩回至在所述抓臂壳体内的停止位置，所述抓臂包括用于抓取钻杆立根和钻铤立根的夹持装置；

立根处理器，二层台，吊运装置，所述吊运装置连接所述立根处理器，所述吊运装置包括用于横向移动和纵向移动的装置，所述吊运装置包括用于旋转所述立根处理器的装置；

所述立根处理器可旋转地连接所述吊运装置，所述立根处理器包括立根夹持机构，所述立根处理器包括用于垂直地移动所述立根夹持机构的装置，所述立根处理器可定位在所述二层台内的任何位置处；

指梁。

2.根据权利要求1所述的管具处理装置，进一步包括框架，所述框架基本水平地从井架向外延伸，所述框架连接所述井架。

3.根据权利要求1所述的管具处理装置，所述抓臂可伸长以便在井眼中心线一边定位所述夹持装置。

4.根据权利要求1所述的管具处理装置，所述立根处理器可旋转360度。

5.根据权利要求1所述的管具处理装置，进一步包括外管和内管，所述内管沿着基本垂直的方向向外伸长和向内缩进所述外管。

6.根据权利要求5所述的管具处理装置，其中所述外管和所述内管进一步包括能够允许一部分的钻杆或钻铤穿过的足够大的开口。

7. 一种用于在旋转钻井作业过程中处理钻杆立根或钻铤立根的方法，

包括：

从抓臂壳体伸出抓臂；

张开连接所述抓臂的夹持装置；

使用所述夹持装置抓取在井架内的钻杆立根或钻铤立根；

缩回所述抓臂以便将所述钻杆立根或所述钻铤立根定位在位于旋转中心位置处的立根处理器内；

使用连接到所述立根处理器的夹持机构夹紧所述钻杆立根或所述钻铤立根；

张开所述夹持装置使所述夹持装置从钻杆立根或所述钻铤立根脱离；

所述抓臂缩回到在所述抓臂壳体内的停止位置；

旋转所述立根处理器；

将所述钻杆立根或所述钻铤立根移动到在指梁内的期望位置；

降低所述钻杆立根或所述钻铤立根；

张开所述夹持机构以释放所述钻杆立根或所述钻铤立根；以及

所述立根处理器返回到旋转中心位置。