CN108138539A - 一种顶部驱动钻井设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种顶部驱动钻井设备，其包括沿着一个或多个竖直轨道并沿着钻塔被引导的滑车，该滑车设置有支撑顶部驱动单元的支撑框架和旋转头部夹具。旋转头部夹具包括：中部打开的旋转体，其限定管件通道；止推轴承，其支撑旋转体；以及多个可移动管件保持器，其由所述旋转体支撑并提供操作位置和非操作位置，从而允许管件穿过以及允许接合在钻柱的管件的肩部下方，用以从此处悬吊所述钻柱。至少管状杆相对于旋转头部夹具而在上部远端位置与下部连接位置之间是可竖直移动的，在所述上部远端位置允许通过旋转头部夹具接合钻柱的管件，在下部连接位置允许管状杆与管件附接。

Description

一种顶部驱动钻井设备

技术领域

本发明涉及一种用于进行钻井作业的顶部驱动钻井设备和方法。

背景技术

同一申请人的未决申请WO2014/178709公开了包括钻塔的顶部驱动钻井设备，所述钻塔设置有由钻塔支撑的竖直轨道。滑车沿着竖直轨道引导。滑车从起重装置的游车悬吊，其通常在钻井行业中称为绞车。起重装置包括缆索和绞盘以及天车。游车通过缆索从天车悬吊。绞盘的操作允许游车和滑车沿着轨道上下移动。

上述所提到的已知装置进一步包括顶部驱动单元和可旋转管状杆，所述可旋转管状杆连接至钻柱的上端以与钻柱一起围绕钻柱的轴线旋转。顶部驱动单元进一步包括适用于所述旋转管状杆并由此旋转所连接的钻柱的电机。顶部驱动单元由滑车支撑，从而至少吸收来自顶部驱动单元的电机的反作用扭矩。

为了悬吊钻柱，例如当将所述钻柱从顶部驱动单元拆卸时，所提及的已知装置包括升降机，所述升降机适于例如在起下钻过程中由其悬吊所述钻柱。

通常，升降机由实施为两个可枢转臂的升降机支撑组件保持，所述升降机支撑组件在其上端部可枢转地连接至悬吊体，所述悬吊体又从形成于顶部驱动单元的可旋转管状杆上的肩部悬吊。这些通常所称的臂或连杆是非常坚固的，这是因为它们设计成用于在例如起下钻的活动过程中吸收整个钻柱的负载。设置有致动器，所述致动器可操作以使升降机在位于钻柱轴线上的操作位置与远离钻柱轴线的缩回位置之间移动。

可替代地，如WO2014/178709中所公开的，升降机支撑组件实施为独立于顶部驱动单元的在升降机与滑车之间的直接钻柱负载轴承。

这些已知的布置并不完全令人满意。因此，本发明的目的是提出一种改进的设备或至少一种替代的设备。

发明内容

本发明提供了一种根据权利要求1的前序部分的设备，其基于WO2014/178709，其特征在于，所述顶部驱动钻井设备进一步包括：

-旋转头部夹具，其包括：

·中部打开的旋转体，其限定与钻柱的轴线对齐的管件通道以允许钻柱的管件通过；

·止推轴承，其支撑所述旋转体，用以允许所述旋转体旋转；

·多个可移动管件保持器，其由所述旋转体支撑，从而提供旋转头部夹具的操作位置和非操作位置，管件保持器适于在非操作位置上允许钻柱的管件穿过管件通道，而在操作位置上管件保持器接合在延伸穿过管件通道的钻柱的管件的肩部下方，以从此处悬吊所述钻柱；

-所述支撑框架还适于支撑所述旋转头部夹具并吸收所悬吊的钻柱的负载；

-其中至少所述管状杆相对于所述旋转头部夹具(40)在上部远端位置与下部连接位置之间能够竖直移动，在所述上部远端位置上允许通过所述旋转头部夹具接合管件，在所述下部连接位置允许在管件由所述旋转头部夹具支撑时使所述管状杆与管件附接。

在实施方案中，本发明的设计允许实现超过现有技术设计的相关优点。

例如，顶部驱动单元现在不需要被设计成支撑整个钻柱，因为即使在钻井期间，当管件和管状杆附接时，所悬吊的钻柱的负载也由旋转头部夹具支撑，从而使得其设计更简单，成本更低。

旋转头部夹具具有由旋转体支撑的多个可移动管件保持器。因此，保持器和它们所保持的管件可以与旋转体一起相对于支撑框架旋转。可移动管件保持器是可移动的，以便提供旋转头部夹具的操作位置和非操作位置。在非操作位置上，管道保持器适于允许钻柱的管件穿过中部打开的主体的管件通道，特别是沿向上的方向。在操作位置上，管件保持器接合在延伸穿过管件通道的钻柱的管件的肩部下方，以从此处悬吊所述钻柱。这种类型的夹具通常被称为领口式夹具。应该注意的是，肩部也可以设置在连接到管件的工具接头或箱形构件上。

在实施方案中，管件保持器接合在工具(例如套管工具，其包括用于夹紧套管或套管行进工具的内部和/或外部的保持器组件)的肩部下方。

有利地，可移动管件保持器具有夹爪以接合在管件上，该管件优选地是可更换的夹爪，以能够使直径和/或形状与管件的类型相匹配。因此，当要处理不同类型的管件时，不必更换整个头部夹具，而只需更换夹爪。

在特别有利的实施方案中，设有两组多个(例如三个)可移动管件保持器，每组适于保持不同类型的管件，例如，每组都包括不同类型的夹爪，并且能够使其中一组处于非操作位置上而另一组处于操作位置上。因此，当要处理不同类型的管件时，不必更换整个头部夹具或夹爪，而是可以简单地将另一组管件保持器置于操作位置上。

在支撑框架允许存在旋转头部夹具和备用旋转头部夹具的实施方案中，因此可以容易地获得用于四种不同类型管件的管件保持器。

有利地，可移动管件保持器实施为包括臂部和支点的杆件，该支点固定至旋转体，并且其中臂部的一个端部适于在操作位置上接合在管件上，在非操作位置上具有与管件通道对齐的清空的区域以允许钻柱的管件通过，并且其中臂部的另一个端部可由致动器操作以在操作位置与非操作位置之间移动臂部的相对的端部。有利地，可以提供单个致动器来操作多个可移动管件保持器。

旋转头部夹具由支撑框架支撑，使得支撑框架吸收所悬吊的钻柱的负载。有利地，支撑框架包括贯通通道，其中贯通通道设置成与旋转头部夹具的中部打开的主体对齐。可能的是，在贯通通道附近设置内凹部，其中在内凹部中设置止推轴承。

在替代的实施方案中，支撑框架包括可以设置旋转头部夹具的壳体的通道。因此，壳体由支撑框架支撑。在这样的实施方案中，旋转头部夹具的壳体支撑止推轴承。

在实施方案中，止推轴承设置在旋转体的上端部。在旋转体的底端部有利地设置附加的轴承。可能的是，这些轴承通过轴承接头相互连接。止推轴承可以是滚珠轴承、球面滚柱轴承或任何其他合适类型的轴承。

旋转头部夹具包括中部打开的旋转体，其限定了与钻柱轴线对齐的管件通道以允许钻柱的管件通过。因此，主体的直径应足以使最大类型的管件或管件辅助件与管状杆接合。应注意的是，管件辅助件是可用的，其直径比由管状杆接合的管件更小，并因此位于管状杆与具有大直径的管件之间。

在实施方案中，钻柱的管件实施为提升短节，其具有肩部以被旋转头部夹具的管件保持器接合。

在实施方案中，中部打开的旋转体被构造为具有凸缘顶端部的圆柱体，因此其截面为T形。凸缘顶端部适于支撑可移动管件保持器。有利地，止推轴承支撑旋转体的该凸缘顶端部。

顶部驱动单元由支撑框架支撑，从而至少吸收来自顶部驱动单元的电机的反作用扭矩。设置有起重装置用于上下移动滑车。同样可以想到的是，滑车从起重装置悬吊，或者支撑框架从起重装置(例如游车)悬吊。因此，支撑框架可选择地通过滑车而从起重装置悬吊。

管状杆连接至钻柱的上端部，以与钻柱一起围绕钻柱的轴线一起旋转。在实施方案中，管状杆连接至顶部驱动单元或者与顶部驱动单元整体形成。在替代实施方案中，管状杆以允许管状杆旋转的方式直接连接至支撑框架。在两个实施方案中，允许顶部驱动单元接合在管状杆上以使管状杆旋转并由此旋转连接的钻柱以进行钻井。

至少管状杆相对于所述旋转头部夹具在上部远端位置与下部连接位置之间是能够竖直移动的，在所述上部远端位置上允许通过所述旋转头部夹具接合所述钻柱的管件，在所述下部连接位置上允许在管件和/或钻柱由旋转头部夹具支撑时使所述管状杆与所述钻柱的管件附接。在一个实施方案中，具有管状杆的顶部驱动单元可移动地支撑在支撑框架中。可替代地，应用所谓的花键杆并且顶部驱动单元固定地被支撑，而杆可竖直移动。可替代地，管状杆设置为静止的，并且旋转头部夹具可相对于管状杆竖直地移动。

在一个实施方案中，支撑框架进一步设置有驱动器，用于相对于旋转头部夹具在上部远端位置与下部连接位置之间竖直地移动管状杆，所述驱动器包括轨道和滑车，可替代地包括液压活塞。

优选地，在管状杆的远端位置处，旋转头部夹具可从支撑框架移除。这是有利的，例如考虑到旋转头部夹具的维护，或者当需要不同类型的旋转头部夹具以与要被接合的管相匹配时。

在实施方案中，顶部驱动单元可与支撑框架分离。例如，在一个实施方案中，支撑框架支撑钩子，并且顶部驱动单元设置有吊环以将顶部驱动单元从钩子悬吊。这种可分离的顶部驱动单元使得顶部驱动单元能够从支撑框架移除，同时旋转头部夹具仍然功能齐全。这可以例如用于在起下钻柱期间对顶部驱动单元进行维护或修理。然后可以简单地移除顶部驱动单元，而能够使得起下钻作业不受影响。此外，可以提供替代的顶部驱动单元，并且允许本发明的顶部驱动钻井设备用于顶部驱动单元的更换。在其中顶部驱动单元可与支撑框架分离的实施方案中，可以执行一种方法，包括以下步骤：

-通过顶部驱动单元钻井；

-在由旋转头部夹具保持支撑的同时，将钻柱与管状杆分离；

-将顶部驱动单元与支撑框架分离；

-进行起下钻柱。

因此，这种设备允许在需要时较为容易地更换顶部驱动单元。可以想象的是，在分离顶部驱动单元的步骤之后并不是对顶部驱动单元进行替换，而是可以接着进行不需要顶部驱动单元的钻井操作。

顶部驱动单元包括管状杆和电机。可以想象的是，并非整个顶部驱动单元都被移除或替代，而仅仅是其中的一部分。例如，电机可以移除/更换，同时保持管状杆处在原位。这在管状杆由支撑框架支撑/连接到支撑框架的实施方案中是特别有利的。

电机的移除允许在钻井之后进行包括使用泥浆软管和管状杆的操作，其中顶部驱动单元的电机因此被移除。

支撑框架实施为独立于顶部驱动单元并位于旋转头部夹具与滑车之间的直接钻柱负载轴承。因此，旋转头部夹具由滑车支撑，而顶部驱动单元也由滑车支撑。

在实施方案中，支撑框架包括水平横梁以支撑旋转头部夹具。有利地，所述水平横梁的长度超过旋转头部夹具的长度，从而为钻井设备提供一个或多个存放位置，例如用于备用或替代的旋转头部夹具或其部件。优选地，至少两个存放位置设置在旋转头部夹具的相对的侧部。在实施方案中，旋转头部夹具在与钻柱轴线对齐的操作位置与停放位置之间由横梁可移动地支撑。

在实施方案中，提供了扳钳装置，其例如连接至顶部驱动单元，用于在管状杆与钻柱之间形成和断开连接。优选地，扳钳装置适于相对于管状杆进行水平移动。

在实施方案中，支撑框架还在旋转头部夹具的下方支撑扶正器以扶正管件和/或钻柱，并且有利地使其与由旋转头部夹具的旋转体限定的管件通道对齐。

设置起重装置用于上下移动滑车。起重装置可以是RamRig型的，或者可替代地包括齿条和小齿轮。在实施方案中，起重装置包括缆索、绞盘、天车和游车，所述游车由所述缆索从天车悬吊，其中滑车从游车悬吊以在绞盘运行时上下移动绞车。

在实施方案中，设置管件定位装置(例如实施为管件定位移动臂)以使钻柱的管件以竖直方向穿过旋转头部夹具的管件通道，并且将管件的肩部定位成以允许钻柱的管件通过在操作位置的可移动管件保持器而接合在肩部下方，其中所述管件特别实施为提升短节。

可以想象的是，管件定位装置由滑车支撑。同样可以想象的是，管件定位装置由钻塔支撑，即如WO2014/182160中公开的移动臂组件。

在实施方案中，管件定位装置适于提升60,000千克。这种管件定位移动臂适用于在旋转头部夹具中定位伸缩接头(60,000kg)或底孔组件(20,000kg)。通常，这种坚固的管件定位装置由滑车支撑。由塔架支撑的已知的移动臂适于提升7000kg。然而，也可以想象的是，适于提升60,000kg的管道定位装置由塔架支撑。

在实施方案中，管件定位装置适于以非竖直方向(特别是水平方向，例如从栈桥装置)容纳钻柱的管件(特别是提升短节)。

在实施方案中，管件定位装置包括夹持器，该夹持器适于接合在例如提升短节的管件上，特别是在管件或提升短节的肩部下方。提升短节是专门设计用于提升目的而附加到钻柱的管件部分。在实施方案中，提升短节体具有至少一个肩部。

有利的是，提供一种双肩提升短节，其包括适于由旋转头部夹具的管件保持器接合的上肩部和适于由管件定位装置的夹持器接合的下肩部。优选地，双肩提升短节进一步包括将被接合在钻杆箱中的销。

在实施方案中，管件定位装置包括相互连接的铰接内吊杆和外吊杆，其中夹持器附接至外吊杆，该夹持器适于接合在例如提升短节的管件上，特别是在管件或提升短节的肩部下方。内吊杆可以例如连接至滑车或钻塔。

在一个具体的实施方案中，管件定位移动臂包括：

-内吊杆，其围绕水平的第一枢转轴线枢转地附接至例如支撑框架，所述内吊杆在第一旋转方向从向上倾斜的停放位置到基本上竖直向下倾斜的位置是可枢转的；

-外吊杆，其具有一个端部，该端部围绕水平的第二枢转轴线(平行于第一枢转轴线并与第一枢转轴线间隔开)可枢转地附接至内吊杆，外吊杆沿第二旋转方向(与第一旋转方向相反)在外吊杆和内吊杆基本平行的停放位置与内吊杆和外吊杆基本上彼此对齐延伸的位置之间是可枢转的；

-适于夹持管件的管件夹持器，该管件夹持器围绕水平管件夹持器枢转轴线(平行于第一枢转轴线和第二枢转轴线)沿与第一旋转方向对应的管件夹持器旋转方向可枢转地附接至外吊杆的相对的端部(其与附接至内吊杆的端部相对)。

本发明还涉及一种用于执行钻井作业的方法，其中使用根据所附权利要求的本发明的设备。

在可能的实施方案中，特别是对于组装钻柱，该方法包括以下步骤：

-将顶部驱动单元设置在上部远端位置上；

-将旋转头部夹具的可移动管件保持器设置在非操作位置上；

-将具有肩部的钻柱的管件设置成向上穿过旋转头部夹具的管件通道；

-将管件保持器移动到操作位置用以接合在延伸穿过管件通道的管件的肩部下方，从而从此处悬吊所述管件和/或钻柱；

-当管件和/或钻柱由旋转头部夹具支撑时，将顶部驱动单元降低到下部连接位置并使管状杆与管件附接。

在可能的实施方案中，特别是其中提供替代的旋转头部夹具，该方法包括以下步骤：

-将顶部驱动单元设置在上部远端位置上；

-从支撑框架移除旋转头部夹具；

-将替代的旋转头部夹具设置在支撑框架中。

在实施方案中，顶部驱动单元可与支撑框架分离，并且其中提供替代的顶部驱动单元，所述方法包括以下步骤：

-通过顶部驱动单元进行钻井；

-在由旋转头部夹具保持支撑的同时，将钻柱与顶部驱动单元分离；

-将顶部驱动单元与支撑框架分离；

-用替代的顶部驱动单元替换顶部驱动单元。

在实施方案中，需要通过泥浆软管将泥浆输送到顶部驱动单元。为此，在顶部驱动单元上设置泥浆连接器。根据可能的实施方案，支撑框架设置有用于泥浆软管的框架连接器。在支撑框架处的泥浆软管连接器的优点是泥浆软管的负载不仅从顶部驱动单元悬吊，而且大量的负载从支撑框架悬吊。由于顶部驱动单元有利地可移动地设置在支撑框架中，所以泥浆软管在顶部驱动单元与泥浆软管连接器(也称为泥浆软管接头)之间的一部分是松弛的用以补偿顶部驱动件单元的运动。

本发明的顶部驱动钻井设备可处理不同类型的管件。旋转头部夹具例如适于悬吊钻杆、钻柱、套管、衬管等。

附图说明

将结合附图进一步说明本发明，其中：

图1以立体图示出了顶部驱动钻井设备的实施方案；

图2以立体图示出了顶部驱动钻井设备的示例性滑车；

图3以侧视图示出了图2的滑车；

图4以侧视图示出了顶部驱动钻井设备以及一部分钻柱的示意性滑车；

图5a和图5b以侧视图示出了旋转头部夹具的示例性实施方案；

图6a以俯视图示出了旋转头部夹具的实施方案；

图6b以俯视立体图示出了图6a的旋转头部夹具；

图6c以侧视图示出了图6a的旋转头部夹具；

图7a和图7b分别示出了滑车的一个实施方案的主视图和侧视图；

图8a至图8f示出了管件定位移动臂的一个实施方案，该管件定位移动臂由滑车支撑在不同位置上，从而允许钻柱的管件穿过所述旋转头部夹具的管件通道；

图9以立体图示出了顶部驱动钻井设备的一个替代实施方案的滑车和顶部驱动单元；

图10以侧视图示出了图9的设备的滑车和顶部驱动单元；

图11a至图11c示出了管件定位装置的一个替代实施方案，该管件定位装置由滑车支撑在不同位置上，以允许钻柱的管件穿过旋转头部夹具的管件通道。

具体实施方式

在图1中以立体图示出了根据本发明的顶部驱动钻井设备1。示出了从相同申请人的在先申请的已知和市售的钻塔10。钻塔10支撑两个竖直轨道11a、11b。滑车12沿着所述竖直轨道11a、11b被引导，此处是经由引导轮组13来引导。这在图2至图4中更详细地示出。

顶部驱动钻井设备1还设置有顶部驱动单元30，顶部驱动单元30包括连接至钻柱50的上端部51的管状杆31和电机32，在图4和图5中可见，管状杆31用于与钻柱一起围绕钻柱的轴线A旋转，所述电机32适于旋转管状杆31以及由此连接的钻柱。

滑车12设置有支撑顶部驱动单元的支撑框架45，从而至少吸收来自顶部驱动单元的电机的反作用扭矩。在所示的实施方案中，顶部驱动单元30通过致动器33在上部远端位置与下部连接位置之间沿方向D可移动地支撑在支撑框架45中，在所述上部远端位置上允许通过旋转头部夹具40(将在下文描述)接合管件，在所述下部连接位置上允许在管件和/或钻柱由旋转头部夹具40支撑时使管状杆31与管件附接。在图4中，示意性的滑车33a是可见的，其设置在顶部驱动单元30上，滑车33a可以接合在设置在支撑框架45中的轨道上，以沿方向D移动顶部驱动单元30。

根据本发明的一个优选实施方案，顶部驱动单元30可向上移动到远离旋转头部夹具40的程度，其中在顶部驱动单元30的这个远端位置上，旋转头部夹具40可从支持框架45移除。

顶部驱动钻井设备1进一步设置有用于上下移动滑车12的起重装置20。起重装置包括绞盘(未示出)以及从绞盘延伸的缆索21，所述缆索21经由位于钻塔10的顶部处的一个或多个滑轮23延伸至天车24和游车25。所述天车包括安装在一个公共轴上的多个滑轮。通过所述缆索21将游车25从天车24悬吊。在如图1所示的实施方案中，支承框架45通过游车的端部的连接器而从游车25悬吊，从而在绞盘运行时上下移动。在图2和图3的实施方案中，游车25整体结合到支撑框架45中。因此，支撑框架45由天车24悬吊，从而在绞盘运行时上下移动。

支撑框架45另外支撑旋转头部夹具40，如图5a和图5b详细示出，旋转头部夹具40包括：

·中部打开的旋转体41，其限定了与钻柱轴线A对齐的管件通道41a从而允许钻柱的管件通过；

·支撑旋转体41并允许旋转体41旋转的止推轴承43；

·由旋转体41支撑的多个可移动管件保持器42，以提供旋转头部夹具的操作位置和非操作位置。

在所示的实施方案中，旋转头部夹具包括支撑止推轴承43的壳体49，该壳体49由支撑框架45支撑。可替代地，支撑框架45直接支撑旋转头部夹具40(例如通过止推轴承43)。无论哪种方式，支撑框架45吸收悬吊钻柱的负载。

可能地，支撑框架45适于支撑多于一个的旋转头部夹具，即替代的旋转头部夹具。

可能地，旋转头部夹具40在支撑框架45中在与钻柱轴线A对齐的操作位置与停放位置之间可移动地支撑。因此，如果需要，钻柱轴线可以是清空的旋转头部夹具。另外，可以具有支撑框架45，该支撑框架45包括可根据需要而与钻柱轴线A对齐定位的两个旋转头部夹具。

此处，旋转体实施为具有支撑可移动管件保持器42的凸缘顶端部41a的圆柱体41b。止推轴承43支撑旋转体的凸缘顶端部41a。

此外，在所示的实施方案中，在旋转体41的底端部设置有附加轴承44。轴承接头49a是可选地与壳体49整体结合的静态框架部件，该轴承接头49a在中部打开的旋转体(在其底端部具有轴承44)的上侧连接止推轴承43。

在所示的实施方案中，支撑框架还在旋转头部夹具下方支撑扶正器52以扶正钻柱。这种扶正器在本领域中是已知的。

此外，支撑框架支撑扳钳装置56，用于在管状杆31与钻柱50之间形成和断开连接。

管件保持器42在非操作位置与操作位置之间是可移动的。在非操作位置(未示出)上，管件保持器42允许钻柱的管件穿过管件通道41a。在如图5a所示的操作位置上，管件保持器42接合在钻柱50的管件的上端部51处的肩部51a下方，钻柱50延伸穿过管件通道41a以从其悬吊所述钻柱。

在图5b中，示出了操作位置，在该位置上管件保持器接合在工具150的上端部151处的肩部151a的下方，在此所述工具为是套管工具150，例如包括用于夹紧套管或套管行进工具的内部和/或外部夹持器组件。该工具有利地由顶部驱动来驱动。在所示的实施方案中，所述工具连接至管状杆31，管状杆31也被称为旋转杆或套筒轴。在底端部，套管工具150包括套管接合部件152以接合在套管155上。

在所示实施方案中，可移动管件保持器42具有夹爪42a以接合在管件或工具上，夹爪42a优选地为可更换的夹爪，从而能够使直径和/或形状与管件或工具的类型相匹配。

在图6中分别以俯视图、俯视立体图和侧视图示出所述旋转头部夹具的可能实施方案。该旋转头部夹具设置有两组、并且每组分别具有三个可移动管件保持器42和42'。每组都适于保持不同类型的管件。由于可以使一组处于非操作位置而另一组处于操作位置，因而这是有利的。

图5a、图5b和图6的可移动管件保持器42、42'实施为包括臂部和支点的杆件，该支点42c固定至旋转体(此处是凸缘41a)。臂部的一个端部42a适于在操作位置上接合在管件上。在此，臂部的这个端部42a设置有夹爪42d。在非操作位置上具有与管件通道对齐的清空的区域以允许钻柱的管件通过。臂部的另一个端部42b可由致动器46操作以使臂部的相对端部在操作位置与非操作位置之间移动。在此，致动器46实施为接合在臂部端部42b上的可液压操作的指状物。

图7a和图7b分别示出了具有框架245的滑车212的实施方案的主视图和侧视图。相同的部件被赋予相同的附图标记，其中已经添加了“200”。在实施方案中，需要经由泥浆软管280将泥浆输送到顶部驱动单元230。为此，在顶部驱动单元230上设置泥浆连接器282。顶部驱动单元230包括管状杆231。在所示的实施方案中，扳钳装置254也是可见的。

根据本发明的优选方面，泥浆软管280经由泥浆软管连接器281连接至支撑框架245。类似地，用于电子器件、控制信号和液压系统的其他供应管线也可以单独连接至支撑框架245，例如经由拖链等。随后通过泥浆软管接头238将电子器件、控制信号、液压系统和/或泥浆输送到顶部驱动单元230。此处示出了泥浆软管接头283，其将泥浆从由泥浆软管连接器281支撑在支撑框架245上的泥浆软管280输送到位于顶部驱动单元230上的常规泥浆连接器282。因此，泥浆软管(等)的重量不再由顶部驱动单元支撑，而是由支撑框架245支撑。

泥浆软管接头283可在移除顶部驱动单元230时与顶部驱动单元230分离，而泥浆软管280则保持连接至支撑框架245。这是有利的，例如在顶部驱动单元的维护期间，或者在安装替代的顶部驱动单元时，或者在滑车和升降机用于不需要顶部驱动单元的目的时。

在图8a-图8f中示出了处于不同位置的由滑车支撑(尤其是由支撑框架45支撑)的管件定位移动臂60的实施方案。这种管件定位移动臂60被设置成允许钻柱的管件以竖直方向穿过旋转头部夹具的管件通道，并且将管件的肩部定位成以允许钻柱的管件通过在操作位置上的可移动管件保持器而接合在肩部下方。

同样可以想到的是，这种管件定位移动臂由钻塔支撑，即如WO2014/182160中公开的移动臂组件2以及如图1中可见的。

在图8a中示出了管件定位移动臂60的实施方案本身。管件定位移动臂60包括内部吊杆61，其围绕水平的第一枢转轴线62可枢转地附接到支撑框架45，该内部吊杆可沿第一旋转方向R1从向上倾斜的停放位置枢转(如图8a可见)到基本上竖直向下倾斜的位置(如图8e可见)。

外吊杆63具有一个端部，该端部围绕水平的第二枢转轴线64(平行于第一枢转轴线62并与第一枢转轴线62间隔开)可枢转地附接至内吊杆61。外吊杆63沿第二旋转方向R2(与第一旋转方向R1相对)在外吊杆与内吊杆基本平行的停放位置(如图8a中可见)与内吊杆61与外吊杆63基本上彼此对齐延伸的位置(如图8d中可见)之间是可枢转的。应注意的是，“基本上对齐”应被解释为包括大于90°的角度。此外，设置管件夹持器65，该管件夹持器65适于夹持管件，该管件夹持器65围绕水平管件夹持器枢转轴线66(平行于第一枢转轴线62和第二枢转轴线64)沿与第一旋转方向R1对应的管件夹持器旋转方向R3可枢转地附接至外吊杆63的相对的端部(与附接至内吊杆61的端部相对)。

第一枢转驱动器(此处为液压缸71)安装在所述支撑框架45与所述内吊杆61之间并适于使内吊杆61枢转。第二枢转驱动器(此处实施为平行的液压缸72)安装在所述支撑件框架45与所述外吊杆63之间并适于使外吊杆63枢转。管件夹持器驱动器(此处实施为两个平行的液压缸73)安装在所述外吊杆63与所述管件夹持器65之间并适于使管件夹持器枢转。第一枢转驱动器71、第二枢转驱动器72和管件夹持器驱动器73适于同时操作。

在此，内吊杆61设置有端部止挡件68，外吊杆63适于抵靠该端部止挡件68以停靠在停放位置，如图8a中可见。

在图8b中，管件定位移动臂60已致动，允许夹持器65接合在提升短节81上，特别是在提升短节的肩部81b下方，在非竖直方向(特别是水平方向)上例如从栈桥装置附接至钻柱的管件80。

提升短节81是专门设计为用于提升目的的添加到钻柱中的管件部分。提升短节实施成具有至少一个肩部。在此，提升短节实施为双肩部提升短节，其包括适于通过旋转头部夹具的管件保持器接合的上肩部81和适于通过管件定位移动臂60的夹持器65接合的下肩部81b。不可见的是，双肩部提升短节进一步包括接合在钻杆80的箱体80a中的销子。

如图8d中可见，所示出的管件定位移动臂60的优点在于提升短节80的竖直定位是由单个驱动器执行的，在此是实施为平行的液压缸72的第二枢转驱动器。

在图9和图10示出了根据本发明的顶部驱动钻井设备的替代实施方案的滑车和顶部驱动单元。设想的是所描绘的设备是用于进行海上钻井和/或其他与钻井孔相关活动(例如修井)的海上钻探船的一部分。应该理解，当需要时，本发明也适用于陆基钻井设备。

顶部驱动钻井设备包括未示出的钻塔，例如，实施为具有闭合轮廓的钢结构的井架，在井架自身的外部具有至少一个作业线5。例如，如本领域中已知的，井架布置在钻探船的船井附近，或者在具有沿着井架的相对的外表面的两条作业线的较大船井的上方。

在替代设计中，钻塔实施为塔架，其中在塔架结构内具有作业线，例如，塔架具有置于船井上方的格子框架结构。

本身未示出的井架设置在钻台的侧部处并设置有两个平行的竖直滑车轨道111a、111b。滑车112沿着所述滑车轨道111a、111b被引导。

顶部驱动单元130附接至滑车112。

在该示例中，顶部驱动单元130包括四个电动顶部驱动电机132a、132b、132c、132d，其通过齿轮箱或变速器壳体135共同驱动旋转杆或套筒轴131。如本领域中已知的，套筒轴131例如通过螺纹连接，例如，经由保护器接头，而可连接至与作业线对齐的钻管的顶端部。因此，顶部驱动单元130能够将旋转运动和驱动扭矩施加到钻管柱。

提供主起重装置120，其适于沿竖直滑车轨道111a、111b上下移动具有顶部驱动单元的滑车。例如，滑车和起重装置具有足够的强度和能力而在作业线中处理1000吨或更多的负载。

滑车112设置有支撑顶部驱动单元130的刚性支撑框架145，至少吸收来自顶部驱动单元的电机的反作用扭矩。

刚性框架结构45具有上部和下部滑车梁145a、145b，每个滑车梁145a、145b在其各自端部具有与井架上的相应滑车轨道111a、111b接合的辊子。这些梁145a、145b在俯视图中具有大约为V形的形状。在此这些梁145a、145b支撑单个竖直后部框架构件145c，该单个竖直后部框架构件145c实施为滑车112的脊部的一种类型，并跨越了梁111a、111b之间的高度。

该后部框架构件145c设置有一个或多个，在此是一对平行的竖直导轨160a、160b。顶部驱动单元130设置有底架130a，底架130a具有与所述导轨160a、160b配合的辊子130b或其他引导构件。

该后部框架构件145c可以实施为箱形梁架。

前悬臂式框架构件145d从所述后部框架构件145c的顶端部远离井架延伸。该框架构件145d在其前端部处通常在环绕作业线(未示出)的横向假想平面中承载横向水平顶部框架构件145e。

顶部框架构件145e设置有用于以并排布置方式将一系列缆索滑轮121连接到其上的连接器(在此为孔)。作为天车的起重装置120还设置有缆索滑轮，从而通过一个或多个绞盘驱动的缆索以多重下降布置的方式来悬吊滑车112。

支撑框架145还包括左框架构件和右框架构件145x、145y，左框架构件和右框架构件145x、145y在横向平面中从横向水平顶部框架构件悬吊，所述横向平面环绕作业线。如所描绘的，这些左构件和右构件145x、145y直接且枢转地连接至框架构件145e，在此为围绕垂直于所述横向平面的轴线枢转。优选地，每个左构件和右构件145x、145y都具有上部孔眼，所述上部孔眼这里穿过两个间隔开的凸片，销穿过所述孔眼并穿过框架构件145e中的孔固定。

可旋转头部夹具组件承载件161优选为可释放地与钩子161b连接到所述左构件和右构件145x、145y的下端部。承载件161支撑可旋转头部夹具组件162(在此承载件161与可旋转的头部夹具组件162整体结合)，在图5、图6a-图6c中描绘了该可旋转的头部夹具组件162的示例。例如，可旋转头部夹具组件162被设计为处理至少1000吨的作业线负载。

如所讨论的，当底架130a的辊子130a、130b沿着所述轨道160a、160b行进时，竖直导轨160a、160b引导顶部驱动单元130。

在该实施方案中，如优选的那样，相同的导轨160a、160b也引导承载件161(在此是承载件161的引导部分161a)。而且，如优选的那样，相同的导轨160a、160b引导将在稍后进行讨论的扳手和/或夹紧装置190。

除了引导所述部件之外，这里优选地，一个或多个导轨160a、160b也用于吸收由在相应部件上的设备的操作引起的任何反作用扭矩，并且将所述扭矩传递到框架145。

在顶部驱动单元130与滑车框架145之间存在一个或多个竖直位移致动器140，使得顶部驱动单元130可通过所述一个或多个竖直位移致动器相对于框架竖直移动，在此一个或多个竖直位移致动器适于在一方面套筒轴或旋转杆与另一方面管状件(从可旋转头部夹具组件悬吊)的工具接头或箱形构件之间形成或断开螺纹连接的过程中执行顶部驱动单元的受控的下降和上升。

滑车设置有辅助起重装置180，该辅助起重装置180适于相对于框架至少竖直移动顶部驱动单元130(在此还有装置190)。如图10所示，描绘了装置180包括具有钩子的链式起重装置，所述钩子可联接至顶部驱动底架130a或装置190。

附图标记190表示扳手和/或夹紧装置，其在进行螺纹连接或断开螺纹连接时允许保持由组件162保持的工具接头或箱形构件。

在图11a-图11c中，示出了位于不同的位置上的管件定位装置260的替代实施方案，其允许钻柱的管件穿过旋转头部夹具的管件通道(如与图9和图10相关的实施方案所示)。

管件定位装置260由连接至所述左构件和右构件145x、145y的下端部的承载件161的钩子161b支撑。承载件161支撑可旋转的头部夹具组件162(在此承载件161与可旋转的头部夹具组件162整体结合)。

管件定位装置260被设置成允许钻柱的管件270沿竖直定向穿过旋转头部夹具的管件通道，并且对管件的肩部进行定位以允许通过处于操作位置上的可移动管件保持器而使钻柱的管件在肩部下方接合。

这里，提升短节271附接至钻柱的管件270。提升短节271是专门设计用于提升目的的添加到钻柱中的管件部分。提升短节具有至少一个肩部。在此，提升短节具体实施为双肩提升短节，其包括适于通过旋转头部夹具的管件保持器而接合的上肩部271a和适于通过管件定位装置的夹持器而接合的下肩部271b。

在图11a中，可以看出，所示实施方案的管件定位装置260包括管件夹持器262，管件夹持器262围绕水平枢转轴线263可枢转地安装以支撑臂261a、261b。这些支撑臂261a、261b分别经由致动缸262a、262b而从横向水平顶部框架构件145e得到支撑，从而允许管件夹持器252相对于旋转突部夹具162的承载件161竖直移动。

在图11a中，夹持器262以非竖直方向(特别是水平方向)接合提升短节271(特别是在提升短节的肩部下方，例如从栈桥装置)。

在图11b中，夹持器262已经围绕枢转轴线263旋转，以使具有提升短节271的管件270处于竖直定向，使得具有提升短节的管件定位成与旋转头部夹具162对齐并位于其下方。

在图11c中，致动缸262a和262b已经被致动以建立夹持器262与管件和提升短节的竖直运动。这样，具有提升短节的管件进入到旋转头部夹具中，允许利用处于非操作位置的管件保持器使提升短节271穿过管件通道。随后通过将管件保持器定位在操作位置中，所述保持器接合在延伸穿过管件通道的钻柱的管件的提升短节271的肩部271a下方，以从此处悬吊所述钻柱。

Claims (16)

1.顶部驱动钻井设备(1)，包括：

-钻塔(10)；

-顶部驱动单元(30)，其包括管状杆(31)和电机(32)，所述管状杆(31)连接至钻柱的上端部以与钻柱一起围绕钻柱的轴线(A)旋转，所述电机(32)适于旋转所述管状杆并由此旋转所连接的钻柱；

-一个或多个竖直轨道(11a，11b)，其由所述钻塔支撑；

-滑车(12)，其沿着所述一个或多个竖直轨道被引导，所述滑车设置有支撑所述顶部驱动单元的支撑框架(45)，从而至少吸收来自所述顶部驱动单元的电机的反作用扭矩；

-起重装置(20)，用于上下移动滑车；

其特征在于，所述顶部驱动钻井设备进一步包括：

-旋转头部夹具(40)，其包括：

·中部打开的旋转体(41)，其限定与钻柱的轴线(A)对齐的管件通道(41a)以允许钻柱的管件通过；

·止推轴承(43)，其支撑所述旋转体，从而允许所述旋转体旋转；

·多个可移动管件保持器(42)，其由所述旋转体支撑，从而提供旋转头部夹具的操作位置和非操作位置，所述管件保持器适于在非操作位置上允许钻柱的管件穿过管件通道，而在操作位置上所述管件保持器接合在延伸穿过管件通道的钻柱的管件的肩部下方，以从此处悬吊所述钻柱；

-所述支撑框架(45)还适于支撑所述旋转头部夹具并吸收所悬吊的钻柱的负载；

-其中至少所述管状杆相对于所述旋转头部夹具(40)在上部远端位置与下部连接位置之间能够竖直移动，在所述上部远端位置上允许通过所述旋转头部夹具来接合所述钻柱的管件，在所述下部连接位置上允许在管件和/或钻柱由旋转头部夹具支撑时使所述管状杆(31)与所述钻柱的管件附接。

2.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井设备，其中，所述可移动管件保持器具有用于接合在管件上的夹爪(42a)，所述夹爪(42a)优选为可更换的夹爪，从而能够使直径和/形状与管件的类型相匹配。

3.根据权利要求1或2所述的顶部驱动钻井设备，其中，设置两组多个可移动管件保持器(42；42')，例如设置两组三个可移动管件保持器，每组管件保持器适于保持不同类型的管件，并且能够使其中一组处于非操作位置，而另一组处于操作位置。

4.根据权利要求1-3中的一项或多项所述的顶部驱动钻井设备，其中，所述可移动管件保持器(42)实施为包括臂部和支点的杆件，所述支点(42c)固定至所述旋转体，并且其中所述臂部的一个端部(42a)适于在操作位置上接合在管件上，而在非操作位置上具有与管件通道对齐的清空的区域以允许钻柱的管件通过，并且其中臂部的另一个端部(42b)能够通过致动器(46)操作以在操作位置与非操作位置之间移动臂部的相对的端部。

5.根据权利要求1-4中的一项或多项所述的顶部驱动钻井设备，其中，所述旋转体实施为具有支撑所述可移动管件保持器的凸缘顶端部(41a)的圆柱体，并且其中所述止推轴承(43)支撑所述旋转体的凸缘顶端部。

6.根据权利要求1-5中的一项或多项所述的顶部驱动钻井设备，其中，所述旋转头部夹具包括支撑所述旋转头部夹具(40)的壳体(49)，所述壳体由所述支撑框架(45)支撑。

7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的顶部驱动钻井设备，其中，在所述管状杆的远端位置，所述旋转头部夹具(40)能够从所述支撑框架被移除。

8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的顶部驱动钻井设备，其中，所述支撑框架还在所述旋转头部夹具下方支撑扶正器(52)以扶正所述钻柱。

9.根据前述权利要求中的一项或多项所述的顶部驱动钻井设备，其中，所述旋转头部夹具在与钻柱轴线对齐的操作位置与远离钻柱轴线的停放位置之间在所述支撑框架(45)中可移动地被支撑。

10.根据前述权利要求中的一项或多项所述的顶部驱动钻井设备，其中，所述支撑框架(45)支撑扳钳装置(56)，用于在所述管状杆与所述钻柱之间形成和断开连接。

11.根据前述权利要求中的一项或多项所述的顶部驱动钻井设备，其中，所述起重装置包括缆索(21)、绞盘(22)、天车(24)和游车(25)，所述游车(25)通过所述缆索从所述天车悬吊，其中支撑框架从所述天车悬吊从而在绞盘运行时上下移动。

12.根据前述权利要求中的一项或多项所述的顶部驱动钻井设备，其中，所述支撑框架设置有泥浆软管连接器。

13.一种用于进行钻井作业的方法，其中，使用根据前述权利要求中的一项或多项所述的设备(1)。

14.根据权利要求13所述的方法，特别是用于组装钻柱，所述方法包括以下步骤：

-使管状杆(31)处于上部远端位置；

-使旋转头部夹具(40)的可移动管件保持器(42)处于非操作位置；

-使具有肩部的钻柱的管件向上穿过旋转头部夹具的管件通道(41a)；

-将所述管件保持器移动到所述操作位置以接合在延伸穿过管件通道的管件的肩部下方，从而从此处悬吊所述管件和/或钻柱；

-当管件和/或钻柱由旋转头部夹具支撑时，将管状杆(31)相对于旋转头部夹具(40)移动到下部连接位置并将管状杆(31)与管件附接。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，提供替代的旋转头部夹具，所述方法包括以下步骤：

-使管状杆(31)处于上部远端位置；

-从支撑框架(45)移除旋转头部夹具(40)；

-将替代的旋转头部夹具设置在支撑框架中。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，顶部驱动单元能够与支撑框架分离，所述方法包括以下步骤：

-通过顶部驱动单元钻井；

-在由旋转头部夹具保持支撑的同时，将钻柱与管状杆(31)分离；

-将顶部驱动单元与支撑框架分离；

-进行起下钻柱。