CN105019831B - 海上钻井设备以及用于海上钻井的方法 - Google Patents

海上钻井设备以及用于海上钻井的方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种海上钻井设备，包括平台，该平台从包括船、浮筒和自升式钻塔的组中选择，该海上钻井设备还包括钻杆柱，该钻杆柱与所述平台驱动连接，并选择地设有升高运动补偿器，其中，钻杆柱在它的下端处设有钻头，利用提升线悬挂在平台上的海底型板布置在海底，且安装在海底型板中的夹持装置提供为用于使得钻杆柱相对于海底型板固定，该夹持装置表现为夹盘，该夹盘布置成用于夹持钻杆柱，同时使得钻杆柱能够旋转。本申请还公开了一种用于海上钻井的方法。

Description

海上钻井设备以及用于海上钻井的方法
技术领域
本发明涉及一种海上钻井设备，该海上钻井设备包括平台，该平台从包括船、浮筒和自升式钻塔的组中选择，该海上钻井设备还包括钻杆柱，该钻杆柱与所述平台驱动连接，并选择地设有升高运动补偿器，其中，钻杆柱在它的下端处设有钻头，可悬挂在平台上的海底型板能够布置在海底，且安装在海底型板中的夹持装置提供为用于使得钻杆柱相对于海底型板固定，该夹持装置表现为夹盘，该夹盘布置成用于夹持钻杆柱，同时使得钻杆柱能够旋转。本发明还涉及一种使用这样的海上钻井设备来进行海上钻井的方法。
背景技术
已知的方法和已知的海上钻井设备由WO02/36931可知，并能够参考图1来示例说明。
与由US-A-3741320已知的海底钻井相反，海上开口孔钻井通常使用在平台(例如(浮动)船1，如图1中所示)上或者在浮筒或自升式钻塔(通过支腿而固定在海底)上的水面安装钻井设备来进行。
钻井设备包括：
用于装配(制造)和拆卸(拆开)钻杆柱的装置；
马达2，用于使得钻杆柱7旋转；
绞盘3，用于降低、升高和供送钻杆柱7；
升高运动补偿器4(在浮动船的情况下)。
在这种现有技术设备中，钻头5的钻压(WOB)和钻进速度(ROP)的控制将由平台来控制。钻杆柱7连续或间断地驱动，直到它达到目标深度。通常的用途是用于地质现场勘测。在用于地质现场勘测的海上钻井中，井下工具用于确定土壤的各种参数，例如强度、类型等。这些工具需要相对于海底27静止的钻头5，以便收集良好质量的数据。在这个方面，用于补偿升高运动的水面安装装置4并不理想，具有误差，这导致在钻头5处的位移或力变化。在正常操作中，这些变化直接传递给钻头5，从而产生在钻头5下面的土壤扰动。一旦钻头5前进至感兴趣的特殊深度，旋转停止，钻杆柱7使用静止夹15而固定在海底型板26上。在取样过程中，升高运动补偿器4的误差将传递至海底型板26中，并从该型板传递至海底27中。尽管型板的重量和支承面积设置成使得残余运动减小至可接受的水平，但是工业上仍然希望改进。
在根据WO02/36931的海底型板中安装的夹持装置表现为夹盘，以便夹持钻杆柱，同时还使得钻杆柱能够旋转。存在多种夹盘设计，这些夹盘设计允许自由旋转，同时沿竖直方向约束该管。这能够在下端处(在海底)控制钻杆，这样大大优于在顶部处的控制，因为在钻头处的位移误差和力变化误差将小得多，从而导致更好控制的钻井处理。其它具有水面安装钻井装备的现有技术海上钻井设备将在进行取样时只夹持钻杆柱，且管并不旋转。
发明内容
根据本发明，这里提出了根据一个或多个附加权利要求的、用于海上钻井的方法和海上钻井设备。
在本发明的海上钻井设备中使用的夹盘包括壳体，该壳体由海底型板支承，其中，在所述壳体中，楔形夹持装置提供为用于夹持钻杆柱，该楔形夹持装置与所述壳体能够旋转地连接。其它的优选特征在从属权利要求中提出。
例如，优选是使得夹盘设有竖直驱动装置。在这种情况下，与水面控制相比，能够由于可在驱动装置中获得的向下推力而产生更大的钻压，因为在水面控制情况下，钻杆柱将由于它在水柱中的相对较长无支承长度而更容易弯曲。本发明的该方面带来了在硬岩层中钻孔的可能性：
在相对较浅的水中，由于可用的有限长度而能够加上不充分的重量；
在地面的非常顶部层处，当钻杆柱由夹盘径向支承时，驱动装置能够产生所需的向下力；
通常，当遇到较硬层时，钻井能够使用具有较小重量的钻杆柱来进行，因为驱动装置提供的向下推力不必依赖于钻杆柱自身的重量。
优选是，夹盘设有一个或多个液压缸，该液压缸使得夹盘与海底型板连接。液压缸是公知和有效的驱动装置，它能够有利地用于沿竖直方向驱动夹盘。
在另一优选实施例中，夹持装置表现为具有第一夹盘和第二夹盘，该第一夹盘和第二夹盘都布置成用于夹持钻杆柱，同时使得钻杆柱能够旋转。第一夹盘和第二夹盘的驱动装置优选是可独立地操作。通过布置成使得第一夹盘和第二夹盘可独立地驱动以及一个接一个地重复驱动，能够向下推动钻杆柱或向上拉动钻杆柱。连续进给(钻进速度)能够通过使用都有自身的竖直驱动装置的这两个夹盘来产生。通过重复运动地利用夹盘，一个向下推动钻杆柱，同时另一个再次改变冲程以便接收向下运动(一旦该另一个夹盘达到它的冲程端部)。如此这般，直到钻头达到目标深度。静止夹可以添加为备份，以便在夹盘的驱动装置发生故障时继续以“正常”模式工作。两个夹盘也能够共同使用，以便使得可用的向下推力加倍。
本发明的海上钻井设备的还一方面是夹盘能够容纳范围至少为从125至250mm直径的钻杆柱。这样的较大夹持范围使得能够使用标准的钻杆和钻环。夹盘因此能够夹持在钻杆柱中遇到的较大变化的直径上，类似于普通的钻杆本体、工具接头或钻环。
夹盘优选是能够膨胀，以便使得钻杆柱能够通过，该钻杆柱包括在它的下端处的钻头以及在该钻头上方的任意工具接头或钻环。当钻头能够通过夹盘时，钻杆柱能够独立于海底型板的处理而进行处理。这使得在平台甲板处的处理更简单，并能够相对容易地重新进入钻出的孔。有时需要重新进入，以便替换或检查钻头，或者由于较差天气条件而放弃该孔，以使得钻井不能开始或继续以及钻杆柱必须拉回甲板。然后，海底型板能够在孔上面的相同位置中保持在海底，且如果在天气条件再次有利时重新布置钻头，钻杆柱能够降低至钻出的孔内，并继续在最后到达的高度处钻井。
可相互独立地应用以及特点是优选在本发明的海上钻井设备中使用的夹盘的其它有利特征是：
楔形夹持装置固定在内部管上，该内部管通过轴承而与壳体连接，以便布置成使得内部管和夹持装置能够在壳体内共同旋转，然而不能沿竖直方向相对于壳体运动。
楔形夹持装置与楔形垫环可滑动地连接，其中，它们的接触表面相对于钻杆柱的纵向方向倾斜，并当楔形夹持装置与所述钻杆柱接合时向上逐渐变小。
楔形垫环通过轴承而由支承环来支承，该支承环与壳体驱动连接。
壳体设有驱动器装置，用于驱动支承环，该支承环支承楔形垫环。
附图说明
下面将参考根据本发明的装置的示例实施例的附图来进一步阐述本发明，该示例实施例并不限制附加权利要求。
附图中：
图1表示了根据现有技术的海上钻井设备；
图2表示了根据本发明的海上钻井设备的第一实施例，其中应用单个夹盘；
图3表示了根据本发明的海上钻井设备的第一实施例的细节，其中应用两个夹盘；
图4表示了应用在根据本发明的海上钻井设备中的夹盘。
当在附图中应用相同参考标号时，这些标号是指相同部件。
具体实施方式
下面参考图2，根据本发明的海上钻井设备表示为包括作为平台1的船(也可选择，它可以是浮筒或自升式钻塔)，还包括钻杆柱7，该钻杆柱7与所述平台1驱动连接，并设有升高运动补偿器4，其中，钻杆柱7在它的下端处设有钻头5，且通过提升线17而悬挂在平台1上的海底型板26布置在海底27，表现为夹盘8的夹持装置安装在海底型板26中，用于使得钻杆柱7相对于海底型板26固定。夹盘8布置为用于夹持钻杆柱7，同时还使得钻杆柱能够旋转。
图3表示了可选结构，其中，夹持装置表现为具有第一夹盘11和第二夹盘12，该第一夹盘11和第二夹盘12都布置成用于夹持钻杆柱，同时还使得钻杆柱能够旋转。优选是，在该实施例中，第一夹盘11和第二夹盘12可通过独立的竖直驱动装置13和14来独立地操作，以便布置成能够一个接一个地重复驱动第一夹盘11和第二夹盘12，从而向下推动钻杆柱或向上拉动钻杆柱。还能够布置成使得第一夹盘11和第二夹盘12共同驱动。优选是，用于夹盘11、12的驱动装置表现为一个或多个液压缸13、14，该液压缸13、14使得夹盘11、12与海底型板26连接。
一个更优选特征是夹盘8或者夹盘11、12能够容纳直到125mm直径的钻杆柱，且夹盘8或者夹盘11、12能够膨胀，以便使得钻杆柱7能够通过，该钻杆柱7包括在它的下端处的钻头5以及在该钻头5上方的任意工具接头或钻环。
下面参考基本涉及夹盘的图4，它表示了夹盘包括壳体28，该壳体由海底型板26支承，且在所述壳体28中提供了楔形夹持装置35(优选是夹持块)，用于夹持钻杆柱7，该楔形夹持装置35与所述壳体28能够旋转地连接。楔形夹持装置35固定在内部管40上，该内部管40通过轴承29、32而与壳体28连接，从而与所述壳体28能够旋转地连接，以便布置成使得内部管40和夹持装置35能够在壳体28内共同旋转，且不能沿竖直方向相对于壳体28运动。
图4还表示了楔形夹持装置35与楔形垫环36可滑动地连接，其中，它们的接触表面相对于钻杆柱7的纵向方向倾斜，并当楔形夹持装置35与所述钻杆柱7接合时向上逐渐变小。设置于支承环34中和由所述支承环34支承的楔形垫环36悬在轴承30、31中，以便允许楔形垫环36能够自由旋转，尽管它受到轴承30、31的竖直约束。支承环34与壳体28驱动连接。为此，壳体28设有促动器装置33，用于驱动支承楔形垫环36的支承环34。
在操作中，促动器33(例如安装在壳体28上的一组液压油缸)用于驱动(向上或向下运动)支承环34。在楔形环36内部的夹持装置35能够因此径向运动，如后面所述。同时，夹持装置35被竖直约束在内部管40中，该内部管40竖直固定在外部壳体28上，但是如上所述，夹持装置35能够由于轴承29、32而在壳体28内部自由旋转。
夹持装置35通过滑动机构41而与楔形环36连接。这使得夹持装置35在楔形垫环36向上运动时向外运动。相反，通过向下推动支承环34，楔形垫环36也将向下运动，从而迫使夹持装置35向内运动，以便夹持在钻杆柱7上。
密封件38、39、37设置于夹盘中，以便密封壳体28，并允许进行压力补偿以及保持运动部件润滑和无灰尘及碎屑。当夹持装置35夹持钻杆柱时，钻杆柱7竖直约束在夹盘内，但是仍然能够自由旋转。壳体28与竖直驱动装置(特别是液压缸9)连接，以便当钻杆柱7不旋转时也向下或向上驱动该钻杆柱7。
尽管前面已经参考根据本发明的海上钻井设备和用于海上钻井方法的示例实施例介绍了本发明，但是本发明并不局限于所述的特殊实施例，这些特殊实施例能够在不脱离本发明精神的情况下以多种方式变化。因此，所述的示例实施例并不用于严格根据它来解释附加权利要求。相反，实施例只是用于解释附加权利要求的措辞，而并不是将权利要求限制为该实施例。因此，本发明的保护范围将只根据附加权利要求来解释，其中，在权利要求的措辞中的可能不明确处应当使用实施例来解释。

Claims (13)

1.一种海上钻井设备，包括平台(1)，所述平台从包括船、浮筒和自升式钻塔的组中选择，所述海上钻井设备还包括钻杆柱(7)，所述钻杆柱与所述平台(1)驱动连接，其中，钻杆柱(7)在它的下端处设有钻头(5)，能悬挂在平台(1)上的海底型板(26)能够布置在海底(27)上，且安装在海底型板(26)中的夹持件提供为用于使得钻杆柱(7)相对于海底型板(26)固定，所述夹持件表现为夹盘(8、11、12)，所述夹盘布置成用于夹持钻杆柱(7)，同时使得钻杆柱能够旋转，其特征在于：夹盘(8、11、12)包括壳体(28)，所述壳体由海底型板(26)支承，在所述壳体(28)中，楔形夹持件(35)提供为用于夹持钻杆柱(7)，所述楔形夹持件(35)与所述壳体(28)能够旋转地连接，其中，所述楔形夹持件(35)固定在内部管(40)上，所述内部管(40)通过轴承(29、32)而与壳体(28)连接，以便布置成使得内部管(40)和楔形夹持件(35)能够在壳体(28)内共同旋转，而不能沿竖直方向相对于壳体(28)运动。
2.根据权利要求1所述的海上钻井设备，其特征在于：夹持件表现为具有第一夹盘(11)和第二夹盘(12)，所述第一夹盘(11)和第二夹盘(12)都布置成用于夹持钻杆柱(7)，同时使得钻杆柱能够旋转。
3.根据权利要求2所述的海上钻井设备，其特征在于：第一夹盘(11)和第二夹盘(12)可独立地操作。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的海上钻井设备，其特征在于：夹盘(8、11、12)能够容纳直径范围从125mm至250mm的钻杆柱。
5.根据权利要求1-3中任意一项所述的海上钻井设备，其特征在于：夹盘(8、11、12)能够膨胀，以便使得钻杆柱(7)能够通过，所述钻杆柱(7)包括在它的下端处的钻头(5)以及在所述钻头(5)上方的任意工具接头或钻环。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的海上钻井设备，其特征在于：夹盘(8、11、12)各自设有竖直驱动装置(9、13、14)。
7.根据权利要求1-3中任意一项所述的海上钻井设备，其特征在于：夹盘(8、11、12)设有一个或多个液压缸(9、13、14)，所述液压缸(9、13、14)使得夹盘(8、11、12)与海底型板(26)连接。
8.根据权利要求1-3中任意一项所述的海上钻井设备，其特征在于：楔形夹持件(35)与楔形垫环(36)可滑动地连接，其中，它们的接触表面相对于钻杆柱(7)的纵向方向倾斜，并当楔形夹持件(35)与所述钻杆柱(7)接合时向上逐渐变小。
9.根据权利要求8所述的海上钻井设备，其特征在于：楔形垫环(36)通过轴承(30、31)而由支承环(34)来支承，所述支承环(34)与壳体(28)驱动连接。
10.根据权利要求9所述的海上钻井设备，其特征在于：壳体(28)设有驱动器装置(33)，用于驱动支承环(34)，所述支承环(34)支承楔形垫环(36)。
11.一种用于海上钻井的方法，包括以下步骤：
从包括船、浮筒和自升式钻塔的组中选择平台(1)；
使得所述平台(1)设有钻杆柱(7)；
使得平台(1)设有用于钻杆柱(7)的驱动器(2)；
使得钻杆柱(7)在它的下端处设有钻头(5)；
将海底型板(26)悬挂在平台(1)上，且将所述海底型板(26)布置在海底(27)上；
在海底型板(26)中设置夹持装置，用于使得钻杆柱(7)相对于海底型板(26)固定；
布置成使得夹持装置表现为具有第一夹盘(11)和第二夹盘(12)，所述第一夹盘(11)和第二夹盘(12)都布置成用于夹持钻杆柱(7)，同时使得钻杆柱能够旋转；
使得第一夹盘(11)和第二夹盘(12)设有竖直驱动装置，其特征在于，设置成使得第一夹盘(11)和第二夹盘(12)可独立地驱动，并一个接一个地被重复驱动，以便向下推动钻杆柱(7)或向上拉动钻杆柱(7)。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：设置成使得第一夹盘(11)和第二夹盘(12)共同被驱动。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于：还包括使得平台设有升高运动补偿器(4)。
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