CN104411915B - 在钻井作业期间使钻井液连续循环的装置 - Google Patents

Abstract

描述了一种循环单元(3)，其用于被设置为在钻井期间连续循环钻井液的装置，其中，外壳(31)设有中心孔(313)，该中心孔被可旋转地支撑在外壳(31)中的上环形密封元件和下环形密封元件(32、32’)限定；密封元件(32、32’)设有中心开口(321)，该中心开口能通过密封元件(32、32’)的扩张关闭，或紧密配合于管(5、51、51’、431)；闸阀(34)，在闭合状态，在外壳(31)中的上部室和下部室(311、312)之间形成流体密封隔离，其中每个密封元件(32、32’)以流体密封的方式连接到可旋转的封隔管(331)，该可旋转的封隔管被与封隔管(331)的周边及外壳(31)紧密配合的封隔器组件(33和33’，分别地)围绕。还描述了一种在连续钻井期间使钻井液连续循环的装置，其包括被设置在上旋转单元和下旋转单元(2、2’)之间的循环单元(3)。

Description

在钻井作业期间使钻井液连续循环的装置

技术领域

描述了一种循环单元以及一种在连续钻井期间使钻井液连续循环的装置，其中，循环单元被设置在上旋转单元和下旋转单元之间，循环单元和旋转单元可沿着导轨竖直位移。

背景技术

众所周知，在油气钻探工业中，当钻柱延伸时，需采取措施以使钻井液在井眼中维持循环。NO 326427公开了一种系统，其中，带有中空驱动轴的顶部驱动钻井机与设有围绕管的密封件的流槽室协作，当连续的钻柱连接到钻井机时，钻井液经由第一流体入口被交替地引导通过驱动轴，并当管柱的上端被设置在流槽室中且将要被连接到新管段时，经由第二流体入口通过流槽室。

根据NO 326427的现有技术的缺点是，当管柱将要延伸时，管柱旋转就停止。众所周知，在该工业内，为了降低管柱卡住的风险，并为了提高生产率(例如在钻柱延伸时通过不使实际钻井作业停止来增大钻井能力)，维持管柱的旋转是有利的。

从NO 20100123中已知一种装置，其中，在第一顶部驱动钻井机和井眼之间设置第二钻井机，该第二钻井机设有：旋转台，设置为承担管柱的重量；旋转驱动单元，设置为连续地旋转管柱；以及流体室，设置为以流体连通的方式使管柱的端部连接到钻井液系统，该流体室设有管柱端口，该管柱端口包括设置为流体密封地关闭管柱端口的工具，并且第二钻井机还设有动力钳，该动力钳被设置为使元件与管柱连接/解除，动力钳被设置在流体室中。该装置的缺点是，旋转驱动单元直接联接到流体室(流槽室)且动力钳被包围在流体室内。这里，正被处理的动力钳与相关管尺寸的调整必须介入流体室来进行。

发明内容

本发明的目的是弥补或减少现有技术的至少一个缺陷，或至少提供一种现有技术的有益的替代。

该目的是通过下面的说明书及随附的权利要求书明确说明的特征来实现。

在下文中，术语“钻柱”用作所有类型的管柱的总称，这些管柱通过端部的旋转借助合适的钻头元件磨碎地下材料而形成进入地下的井眼，并且使携带磨碎的地下材料的进入钻井液借助到地表的回流而运出井眼。

除非明确提出，术语“管”在下文中用作单独的管、由若干单独的管组成的管段以及通过联结若干能够螺接在一起的单独的管或若干管段而建造的管柱的总称。“管”也可包括所谓的保护接头，该保护接头用作管柱和旋转单元之间的连接器，可能适用于将钻井液供应到管柱。

提供被设置为通过管柱的开放上端供应钻井液的循环单元。循环单元由带有中心孔的外壳形成，该中心孔穿过外壳延伸。在外壳的任一端设置可旋转地支撑的密封元件，其被设置为在管部周围紧密配合。每个可旋转密封元件被设置为当管延伸穿过密封元件时并当密封元件未围绕管时，例如通过从相关联的压力供应单元施加到密封元件的内部液压压力来关闭中心孔的各端。封隔管设置在密封元件内(也就是在外壳的内部的方向)并以流体密封的方式连接到密封元件的端面，该封隔管被贴靠封隔管的一部分周边并在室、轴承以及密封元件的外周边之间形成密封隔离的封隔器组件围绕。钻井液从而被阻止进入密封元件周围的压力流体供应通道并与压力流体(优选地也被用作密封元件的轴承的润滑剂)混合。封隔器组件是在封隔管旋转且钻井液在高压下时也维持密封功能的典型地所谓的冲管密封件。封隔管上的邻接表面典型地具有非常光滑的表面，使得封隔器组件可长期承受与旋转的封隔管的邻接而不受到磨损。

外壳借助闸阀被分成两个室，闸阀被设置为在打开位置形成在所述两室之间形成连接的中心开口，而在闭合位置则形成所述室之间的流体密封隔离。闸阀可典型地为球阀，该球阀的旋转轴线垂直于循环单元的中心轴线。

两个室中的每个室设有流体端口，该流体端口经由第一钻井液线路和第二钻井液线路以及相关的阀系统而连接到钻井液系统，从而允许钻井液被引导到各室中，还可能排空室。

连接到所述钻井液系统和阀系统的第三钻井液线路连接到保护接头，该保护接头被设置为连接到管的上端，从而允许钻井液被引导到管中。保护接头可相对于第三钻井液线路旋转。保护接头至少设有上部，上部适合作为(与使管连接单元接合管/从管中脱离管连接单元相关联的)钳的邻接部。

在专业领域，循环单元也被称为连续钻井循环单元(CDU)。

还提供一种用于在钻柱的连续旋转期间使钻井液连续循环的装置。在操作位置，根据本发明的循环单元被设置为其中心轴为与钻井中心轴线一致，并被设置在第一旋转单元与第二旋转单元之间。借助驱动器，循环单元和两个旋转单元可沿着适合于其的导轨竖直移动。循环单元和至少一个旋转单元可独立于彼此竖直地移动。

每个旋转单元典型地包括可旋转钳，这种可旋转钳可抓握管部周围并保持其固定；挂脱(hanging-off)装置，典型地为一种公知的被设置为贴靠管套筒等的面向下的肩部的卡瓦装置(slips arrangement)的形式；以及旋转轴承，其被设置为支撑钳和/或挂脱装置。可旋转钳设有旋转驱动器。

根据本发明的钻井液连续循环且钻柱连续旋转的钻井作业可典型地以下列方式执行：

1.在钻井顺序的第一阶段，发生如下：

a)钻柱的上端通过循环单元突出。第三钻井液线路经由保护接头连接到钻柱的上端。

b)钻井液经由保护接头被供应到钻柱的中心孔。

c)钻柱被上旋转单元保持旋转。

d)上密封元件和下密封元件打开，且钻柱相对于循环单元自由地移动。

e)上旋转单元和钻柱根据所获得的穿透速度向下移动。

2.在钻井顺序的第二阶段，发生如下：

a)循环单元和下旋转单元朝向上旋转单元向上移动。

b)钻柱的上端和保护接头的下部移动到循环单元中，使得钻柱的上端在下部室中。

c)钻柱被接管钻柱旋转的下旋转单元抓握。保护接头在上旋转单元中保持挂脱。密封元件在旋转的钻柱和保护接头周围分别关闭。

d)钻井液通过下流体端口被供应到下部室。当下旋转单元旋转钻柱时，保护接头通过保持保护接头返回的上旋转单元与钻柱分离。保护接头被拉出下部室，闸阀被关闭，停止通过保护接头供应钻井液。

e)上密封元件打开，保护接头被拉出循环单元。

f)钻井作业通过下旋转单元和循环单元的旋转和位移维持，钻井液的供应通过下部室维持，该下部室借助于关闭的闸阀和紧密配合在一部分钻柱周围的下密封元件而保持对周边环境的关闭。

3.在钻井顺序的第三阶段，发生如下：

a)待连结到钻柱的下一管通过操纵器等移动到钻井中心轴线并在此保持固定。

b)上旋转单元使保护接头旋转，以将其连接到管的上端。

c)当上密封元件打开时，管的下端被移动到循环单元中。

d)上密封元件在管的周围关闭。

e)钻井液通过保护接头被供应到上部室，可以通过上流体端口，闸阀被打开，因为现在从上部室通过打开的闸阀为钻柱供应钻井液，所以通过下流体端口供应钻井液被停止。

f)上旋转单元在旋转期间移动管以将其连接到钻柱，管旋转得比钻柱快。

g)钻井液通过保护接头被供应到钻柱。密封元件可以在循环单元的室已经被排干之后打开。

钻井作业通过重复步骤1a)到3g)而继续。

钻井作业也可以稍微脱离上述描述但不背离本发明的范围的变型来执行。

本发明呈现了一种在钻柱的连续旋转期间使钻井液连续循环的大大简化的操作维护系统，这是因为供管或管柱的旋转和挂脱的所有元件被设置在循环单元的外面。与维护或调整另一管尺寸相关联的部件的任何替换可不介入循环单元地进行。

当钻井液在钻柱的连续旋转期间连续循环时，根据本发明的装置显示了大程度的灵活性，这是因为上旋转单元可独立于下旋转单元和循环单元位移。进一步的灵活性可通过使下单元能独立于循环单元位移来获得。

在第一方案中，本发明更具体地涉及一种循环单元，其用于被设置为在钻井期间使钻井液连续循环的装置，其中：

外壳，设有被设置为容纳管的一部分的中心孔；

中心孔被可旋转地支撑在外壳中的上环形密封元件和下环形密封元件限定；

密封元件设有中心开口，该中心开口可通过密封元件的扩张而关闭，或通过内密封表面抵靠管而与管紧密配合；以及

闸阀，其在关闭状态，在外壳中的上部室和下部室之间形成流体密封隔离，其特征在于：

每个密封元件以流体密封的方式连接到可旋转的封隔管，该可旋转的封隔管伸入相应的室内并被与封隔管的周边及外壳紧密配合的封隔器组件围绕。

密封元件可设有可扩张腔，该可扩张腔经由密封元件周围的若干流体通道和环形空间与压力流体端口流体连通。

在封隔器组件和限定密封元件周围的环形空间的压力流体密封件之间设置封隔器排放部。

封隔管可经由轴承套圈连接到密封元件，该轴承套圈与密封元件的端面流体密封配合。

在第二方案中，本发明更具体地涉及一种在连续钻井期间使钻井液连续循环的装置，其中，如上所述的循环单元被设置在上旋转单元和下旋转单元之间，循环单元和旋转单元沿着导轨竖直位移，其特征在于，

至少上旋转单元可独立于循环单元位移；

循环单元包括外壳，该外壳设有被设置为容纳管的一部分的中心孔；

中心孔被可旋转地支撑在外壳中的上环形密封元件和下环形密封元件限定；以及

密封元件设有中心开口，该中心开口可通过所述密封元件的扩张而关闭，或通过内表面抵靠管而与管紧密配合。

在与钻柱连接或分离期间管的任何旋转和钻柱的任何旋转可由可旋转钳提供，可旋转钳被设置在循环单元的外壳的外面。

下旋转单元和循环单元可设有共同的线性驱动器，该线性驱动器被设置以使所述旋转单元和循环单元沿着井架的导轨以同步竖直运动的方式位移。

外壳可设有闸阀，在该闸阀的闭合状态下，在上部室和下部室之间形成流体密封隔离隔。

闸阀可为具有与外壳和中心开口的中心轴线垂直的转动轴线和一中心开口的球阀，在闸阀的开放状态下，该中心开口构成循环单元的中心孔的一部分。

循环单元可设有上部室和下部室，上部室和下部室经由连接到阀系统的相应的可单独关闭的钻井液线路而连接到钻井液系统。

保护接头可旋转地连接到可关闭的钻井液线路，该可关闭的钻井液线路经由阀系统连接到钻井液系统。

每个密封元件的端面可以以流体密封的方式连接到可旋转的封隔管，该可旋转的封隔管分别突出到外壳中的上部室和下部室内并被封隔器组件围绕，该封隔器组件与封隔管的周边紧密配合并与外壳紧密配合。

附图说明

在下文中，描述了附图中呈现的优选实施例的示例，在附图中：

图1示出了通过根据本发明的循环单元的轴向截面图；

图2以较小比例示出了根据本发明的装置的侧视图，其中，钻柱被上旋转单元旋转，并且钻井液经由连接到钻柱的保护接头(saver sub)来供应，同时循环单元和下旋转单元向上旋转单元竖直位移；

图3示出了通过循环单元的轴向截面的根据本发明的装置的原理图，其中，钻柱的上端位于循环单元的下部室，保护接头与钻柱分离并使其下端位于上部室，钻柱被下旋转单元旋转且钻井液通过循环单元的下部室来供应；以及

图4示出了钻柱由下旋转单元维持旋转，保护接头已经被从循环单元拉出。

具体实施方式

在井架1上，上旋转单元2和下旋转单元2’以及循环单元3被设置成可沿着井架1上的导轨11、11’竖直位移。导轨11、11’可叠合或分离。借助线性驱动器25、25’来提供竖直位移，通过线性驱动器与导轨11、11’之间的接合(典型地通过齿轮与导轨11、11’的齿部(图中未示出)的啮合)，线性驱动器25、25’可独立于经由连接元件作用在单元2、2’、3上的力(例如井压力)而强制驱动各旋转单元2、2’和循环单元3。

具体地，首先参照图2。钻井液系统4包括阀系统44、分别连接到设置在循环单元3上的上流体端口35和下流体端口35’的第一钻井液线路41和第二钻井液线路42、和经由旋转联轴节(活节)431a连接到保护接头431的第三钻井液线路43，使得保护接头431可独立于连接的钻井液线路43绕其自身的中心轴线旋转。钻井液线路41、42、43连接到阀系统44，使得在钻井液线路41、42、43之一中流动的钻井液可独立于在另外的钻井液线路41、42、43的每一者中流动的钻井液被控制。

已经按公知的方式由若干管或管段51、51’制成的钻柱5沿井眼(图中未示出)向下延伸，并使其中心轴线与钻井中心轴线WC一致。

保护接头431可连接到管的上端51a、51a’。

现在参照图1。循环单元3包括外壳31，该外壳被闸阀34分成上部室311和下部室312。出于实用的目的，闸阀34可为具有垂直于外壳31的中心轴线的旋转轴的球阀，并在其打开位置显现与延伸通过整个外壳31的中心孔313一致的中心开口341。在外壳31的端部分别设置带有可闭合的中心开口321的上密封元件32、下密封元件32’，上密封元件32、下密封元件32’是一种这样的元件，当压力流体从压力供应单元(图中未示出)供应到内部封隔腔329时，上密封元件32、下密封元件32’可径向扩张直到内密封表面324密封地紧靠钻柱5、管51和51’或保护接头431的环绕部，或当密封元件32、32’不环绕钻柱5、管51和51’或保护接头431时，可径向扩张直到完全地关闭中心开口321。压力流体从压力流体系统(图中未示出)通过围绕密封元件32、32’的压力流体端口326和环形空间327被供应到密封元件32、32’。若干流体通道328在封隔腔329和环形空间327之间延伸。在轴向方向上，环形空间327被若干压力流体密封件320以流体密封的方式限定。

密封元件32、32’被支撑在可围绕中心孔313的中心轴线旋转的外壳31中，轴承323被设置在轴承套圈32a之间，密封元件32、32’分别被设置在轴承套圈32a内，且外壳31被设置为承受径向和轴向方向的应变。每个密封元件32、32’的端面325与轴承套圈32a为流体密封配合。封隔管331从轴承套圈32a分别突出到各室311、312中，该封隔管的端部紧密配合轴承套圈32a并随轴承套圈32a和密封元件32、32’一起旋转。封隔管331分别被一种允许封隔管331旋转但不会使密封功能下降到任何值得一提的程度(例如所谓的冲管密封)的上封隔器组件33和下封隔器组件33’环绕。因此阻止钻井液透过密封元件32、32’的轴承323进入环形空间327并与被供应到密封元件32、32’的压力流体混合。为进一步阻止这样的钻井液和压力流体的混合，外壳31设有封隔器排放部332，该封隔器排放部将排出来自外壳31的钻井液的任何泄漏。

密封元件32、32’的内压力可被调整到反映主要井压的钻井液压力。

在下端部，外壳31还设有底部封隔器36，该底部封隔器被设置为通过扩张来关闭中心孔313。在底部封隔器36之上，外壳设有排放口37。

旋转单元2、2’包括带有旋转驱动器23、23’的旋转钳21、21’以及典型地以卡瓦装置形式的挂脱装置22、22’。

在一个实施例中，如图2到图4所示，循环单元3连接到下旋转单元2’。也可以想象循环单元3独立于所述下旋转单元2’。

当用根据本发明的装置来执行连续钻井作业时，可按以下面的方式执行：

在钻井顺序的第一阶段，钻柱5的上端通过循环单元3突出。第三钻井液线路43经由保护接头431连接到钻柱5的上端51a。钻井液经由保护接头431被供应到钻柱5的中心孔。钻柱5被上旋转单元2保持旋转。上密封元件32、下密封元件32’打开，且钻柱5相对于循环单元3自由地移动。上旋转单元2和钻柱5根据所获得的穿透速度向下移动。

在钻井顺序的第二阶段，循环单元3和下旋转单元2’朝向上旋转单元2向上移动。钻柱5的上端51a和保护接头431的下部431a被移动到循环单元3中，使得钻柱5的上端51a在下部室312中。钻柱5被接管钻柱旋转的下旋转单元2’抓握。保护接头431在上旋转单元2中保持挂脱。密封元件32、32’在旋转的钻柱5和保护接头431周围分别关闭。钻井液通过下流体端口35’被供应到下部室312。当下旋转单元2’旋转钻柱5时，保护接头431通过保持保护接头431返回的上旋转单元2与钻柱5分离。保护接头431被拉出下部室312，闸阀34被关闭，停止通过保护接头431供应钻井液。上密封元件32打开，保护接头431被拉出循环单元3。钻井液残留物可通过上流体端口35被排出。钻井作业通过下旋转单元2’和循环单元3的旋转和位移而被维持，钻井液的供应通过下部室312维持，该下部室借助于关闭的闸阀34和紧密配合在一部分钻柱5周围的下密封元件32’而保持对周边环境关闭。

在钻井顺序的第三阶段，待连结到钻柱5的下一个管51’通过操纵器(图中未示出)等移动到钻井中心轴线WC并保持在此固定。上旋转单元2旋转保护接头431以将保护接头连接到管51’的上端51a。当上密封元件32打开时，管51’的下端51b被移动进入循环单元3。上密封元件32在管51’的周围关闭。钻井液通过保护接头431被供应到上部室311，闸阀34被打开，并且通过下流体端口35’供应钻井液被停止，因为现在从上部室311通过打开的闸阀34为钻柱5供应钻井液。在旋转期间上旋转单元2移动管51’以将其连接到钻柱5，管5’旋转得比钻柱5快。钻井液通过保护接头431被供应到钻柱5。密封元件32、32’可以在循环单元3的室311、312分别通过上流体端口35和排放口37已经被排干之后打开。

当新管51’被接连连接为钻柱5并顺利在地下作业时，钻井作业通过从阶段1重复而继续。

借助于根据本发明的布置，提供了一种在钻井期间连续供应钻井液的简单系统，并且钻井可以连续过程进行。使用的重要单元并不复杂，因为每个单元只被赋予了一个主功能，即：

a)第一旋转单元2提供了连接到保护接头431的钻柱5或管51、51’的挂脱、旋转和竖直位移。

b)第二旋转单元2’提供了钻柱5的挂脱、旋转和竖直位移。

c)循环单元3提供了钻井液系统4和旋转的钻柱5之间的流体密封、可移动连接，与保护接头431协作以在直接供应到钻柱5与在连接阶段的经由下一管51、51’供应之间交替地供应钻井液。

根据本发明的循环单元3提供对于钻井液的环境友好的处理，因为在密封元件32、32’从钻柱5被释放等之前，钻井液的残留量可从循环单元中被排出。循环单元3的封隔器组件33、33’还确保旋转轴承323更好的耐用性等，这是由于钻井液被阻止进入压力流体供应通路327、328，所以压力流体(通常也用作所述轴承的润滑剂)不容易被钻井液污染。

通过使用循环单元3(该循环单元具有维持钻井液供应到钻柱5的唯一任务)，并通过旋转单元2、2’执行钻柱和管的旋转、挂脱和竖直位移，可更合理地进行该布置与其他管尺寸的调整，这是因为当旋转钳21、21’和挂脱装置22、22’中的抓握元件等被更换时，无需介入关闭的循环单元3。

通过使下旋转单元2’与循环单元3分离、循环单元3设有使循环单元3独立于下旋转单元2’竖直位移的单独线性驱动器(图中未示出)，由于在连续钻井液循环的连续钻井期间具有更大的操作自由，因此可获得其他优点。

Claims (10)

1.一种循环单元(3)，其用于被设置为在钻井期间使钻井液连续循环的装置，其中；

外壳(31)，设有被设置为容纳管(5、51、51’、431)的一部分的中心孔(313)；

所述中心孔(313)被可旋转地支撑在所述外壳(31)中的上环形密封元件(32)和下环形密封元件(32’)限定；

所述密封元件(32、32’)设有中心开口(321)，所述中心开口能通过所述密封元件(32、32’)的扩张关闭，或通过内密封表面(324)抵靠所述管(5、51、51’、431)而与所述管(5、51、51’、431)紧密配合；以及

闸阀(34)，其在关闭状态，在所述外壳(31)中的上部室(311)和下部室(312)之间形成流体密封隔离，其特征在于，

每个所述密封元件(32、32’)以流体密封的方式连接到能旋转的封隔管(331)，所述封隔管突出到相应的室(311、312)内并分别被封隔器组件(33、33’)围绕，所述封隔器组件与所述封隔管(331)的周边紧密配合并与所述外壳(31)紧密配合。

2.根据权利要求1所述的循环单元(3)，其中，所述密封元件(32、32’)设有能扩张腔(329)，所述能扩张腔经由所述密封元件(32、32’)周围的若干流体通道(328)和一环形空间(327)与压力流体端口(326)流体连通。

3.根据权利要求1所述的循环单元(3)，其中，在所述封隔器组件(33、33’)与限定所述密封元件(32、32’)周围的环形空间(327)的压力流体密封件(320)之间设置封隔器排放部(332)。

4.根据权利要求1所述的循环单元(3)，其中，所述封隔管(331)经由轴承套圈(32a)连接到所述密封元件(32、32’)，所述轴承套圈与所述密封元件(32、32’)的端面(325)流体密封地配合。

5.一种用于在连续钻井期间使钻井液连续循环的装置，其中，根据权利要求1到4中的任一项所述的循环单元(3)被设置在上旋转单元(2)和下旋转单元(2’)之间，所述循环单元(3)和所述旋转单元(2、2’)沿着导轨(11)竖直位移，其特征在于，

至少所述上旋转单元(2)能独立于所述循环单元(3)位移。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，在与钻柱(5)连接或分离期间管(51、51’)的任何旋转和钻柱(5)的任何旋转，由旋转钳(21、21’)提供，所述旋转钳被设置在所述循环单元(3)的外壳(31)的外面。

7.根据权利要求5所述的装置，其中，所述下旋转单元(2’)和所述循环单元(3)设有共同的线性驱动器(25’)，所述线性驱动器被设置为使所述旋转单元(2’)和所述循环单元(3)沿着井架(1)的导轨(11)以同步竖直运动的方式位移。

8.根据权利要求5所述的装置，其中，所述闸阀(34)为球阀，所述球阀带有与所述外壳(31)的中心轴线垂直的转动轴线和一中心开口(341)，所述中心开口在所述闸阀(34)的开放状态下，构成所述循环单元(3)的中心孔(313)的一部分。

9.根据权利要求5所述的装置，其中，所述循环单元(3)设有上部室(311)和下部室(312)，所述上部室和下部室分别经由连接到阀系统(44)的能单独关闭的钻井液线路(41、42)被连接到钻井液系统(4)。

10.根据权利要求5所述的装置，其中，保护接头(431)可旋转地连接到能关闭的钻井液线路(43)，所述能关闭的钻井液线路经由阀系统(44)连接到钻井液系统(4)。