CN111852360A - 一种钻杆上卸扣方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种钻杆上卸扣方法及装置，用于将上部钻杆与下部钻杆螺纹连接或分离，钻杆上卸扣方法包括：固定下部钻杆；旋转上部钻杆同时对上部钻杆施加举升力，直至上部钻杆的螺纹与下部钻杆的螺纹旋紧或分离。钻杆上卸扣装置包括：上卸扣工具，包括用于固定下部钻杆的固定机构、以及用于旋转上部钻杆的旋转机构；举升装置，用于对上部钻杆施加举升力。本发明通过在上卸扣过程中对上部钻杆施加举升力，来降低上部钻杆与下部钻杆之间的螺纹接触力，避免上部钻杆完全压在下部钻杆上，能有效保护接头螺纹，降低螺纹损坏率，操作方便，成本低，有助于提高钻井效益。

Description

一种钻杆上卸扣方法及装置

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井技术领域，尤其是一种钻杆上卸扣方法及装置。

背景技术

在石油天然气钻井过程中，需反复多次起下钻。下钻过程中，需将钻杆逐根用螺纹连接形成长达数千米甚至上万米的钻柱，以连接井口和井底。起钻过程中，需从钻柱的最顶端将钻杆逐根拆卸出来，并依次摆放。目前起下钻作业时，在连接或拆卸钻杆接头螺纹的过程中，上部钻杆完全压在下部钻杆上，即在上卸扣的过程中，螺纹上始终存在与上部钻杆自重相同的接触力，这一接触力与钻杆型号和上部钻杆结构有关，通常，单根作业时上述接触力等于单根钻杆自重，约300kg，立根(即3根单根连在一起)作业时，上述接触力等于3根钻杆的自重之和，接近1t。无论是上扣还是卸扣，接触力方向始终与重力方向相同，这种受力方式会对钻杆接头螺纹产生不利影响，特别是当螺纹上沾有污垢或接头未对正时，螺纹容易损坏，从而导致钻杆报废。

近年来，随着钻井向深井、超深井方向发展，钻井过程中使用的钻杆数量越来越多，螺纹损坏事故的危害程度逐渐上升；此外，天然气井钻进过程中，要求钻杆接头具有良好的密封性，螺纹损坏容易诱发井涌、井喷等恶劣的井下复杂情况。

为解决上述问题，目前常采用的一种方法是，采用更高强度的钻杆，并对钻杆接头做特殊处理，来避免螺纹过早损坏，但这会大大提高了材料成本，另一种方法是，降低上卸扣速度，严格对正接头螺纹，但应用效果并不稳定。

发明内容

本发明的目的是提供一种钻杆上卸扣方法及装置，以保护接头螺纹，降低螺纹损坏率。

为达到上述目的，本发明提出一种钻杆上卸扣方法，用于将上部钻杆与下部钻杆螺纹连接或分离，其包括：固定所述下部钻杆；旋转所述上部钻杆同时对所述上部钻杆施加举升力，直至所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹旋紧或分离。

如上所述的钻杆上卸扣方法，其中，所述旋转所述上部钻杆同时对所述上部钻杆施加举升力，直至所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹旋紧或分离，包括：将所述上部钻杆与所述下部钻杆螺纹连接时，从所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹接触开始，旋转所述上部钻杆同时对所述上部钻杆施加小于所述上部钻杆重力的举升力，使所述上部钻杆对所述下部钻杆的螺纹产生预压力，直至所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹旋紧；将螺纹连接的所述上部钻杆与所述下部钻杆分离时，旋转所述上部钻杆同时对所述上部钻杆施加大于所述上部钻杆重力的举升力，使所述上部钻杆对所述下部钻杆的螺纹产生预拉力，直至所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹分离。

如上所述的钻杆上卸扣方法，其中，所述预压力与所述上部钻杆重力的比值不大于1/10，所述预拉力与所述上部钻杆重力的比值不大于1/10。

如上所述的钻杆上卸扣方法，其中，所述钻杆上卸扣方法还包括：将所述上部钻杆与所述下部钻杆螺纹连接时，在所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹接触之前，举升所述上部钻杆并获取所述上部钻杆的重力，同时对所述上部钻杆施加与所述上部钻杆的重力相等的举升力，直至所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹上下对正并相接触。

本发明还提出一种钻杆上卸扣装置，用于将上部钻杆与下部钻杆螺纹连接或分离，其包括：上卸扣工具，包括用于固定所述下部钻杆的固定机构、以及用于旋转所述上部钻杆的旋转机构；举升装置，用于对所述上部钻杆施加举升力。

如上所述的钻杆上卸扣装置，其中，所述钻杆上卸扣装置还包括用于测量所述上部钻杆的重力的力传感器、以及用于控制所述举升装置的举升力的控制装置，所述控制装置与所述力传感器和所述举升装置分别电连接，所述控制装置根据所述力传感器测得的所述上部钻杆的重力控制所述举升装置对所述上部钻杆施加的举升力。

如上所述的钻杆上卸扣装置，其中，所述钻杆上卸扣装置还包括用于测量所述上部钻杆与所述下部钻杆的相对位置的位置传感器，所述位置传感器与所述控制装置电连接。

如上所述的钻杆上卸扣装置，其中，所述举升装置为悬吊装置，所述悬吊装置能与所述上部钻杆连接，并能向上提拉所述上部钻杆。

如上所述的钻杆上卸扣装置，其中，所述举升装置为液压缸，所述液压缸与所述旋转机构连接，并能驱动所述旋转机构上下移动，所述液压缸通过向上推顶所述旋转机构对所述上部钻杆施加举升力。

如上所述的钻杆上卸扣装置，其中，所述上卸扣工具为液压大钳、铁钻工或顶驱背钳，所述固定机构为背钳，所述旋转机构为主钳，所述主钳能上下移动地与所述背钳连接。

本发明的钻杆上卸扣方法及装置的特点和优点是：

本发明通过在上卸扣过程中对上部钻杆施加举升力，来降低上部钻杆与下部钻杆之间的螺纹接触力，避免上部钻杆完全压在下部钻杆上，能有效保护接头螺纹，降低螺纹损坏率，操作方便，成本低，有助于提高钻井效益。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1是本发明的钻杆上卸扣方法的一个具体实施例中的上扣流程图；

图2是本发明的钻杆上卸扣方法的一个具体实施例中对第一根上部钻杆卸扣的卸扣流程图；

图3是本发明的钻杆上卸扣方法的一个具体实施例中对第二根及后续上部钻杆卸扣的卸扣流程图；

图4是本发明的钻杆上卸扣装置的一个实施例的示意图。

主要元件标号说明：

1、上部钻杆；11、上部钻杆接头；2、下部钻杆；21、下部钻杆接头；

3、固定机构；4、旋转机构。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。在本发明的描述中，上部钻杆指的是相连接的两根钻杆中位于上方的钻杆，下部钻杆指的是相连接的两根钻杆中位于下方的钻杆，其中的“上部”和“下部”仅用于限定任意两根相连接的钻杆之间的相对位置，而不是指示或暗示钻杆必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、图2、图3所示，本发明提供一种钻杆上卸扣方法，用于将上部钻杆1与下部钻杆2螺纹连接或分离，钻杆上卸扣方法包括：

步骤S100：固定下部钻杆2；

步骤S200：旋转上部钻杆1(旋扣)同时对上部钻杆1施加方向向上的举升力，直至上部钻杆1的螺纹与下部钻杆2的螺纹旋紧(紧扣)或分离。

本发明通过在上卸扣过程中对上部钻杆1施加举升力，来降低上部钻杆1与下部钻杆2之间的螺纹接触力，避免上部钻杆1完全压在下部钻杆2上，能有效保护接头螺纹，降低螺纹损坏率，操作方便，成本低，有助于提高钻井效益。

具体是，上部钻杆1的下端具有上部钻杆接头11，上部钻杆接头11上具有螺纹，下部钻杆2的上端具有下部钻杆接头21，下部钻杆接头21上具有与上部钻杆1接头11配合的螺纹，上部钻杆1和下部钻杆2通过上部钻杆接头11与下部钻杆接头21螺纹连接。

在一个优选的实施例中，步骤S200包括：

如图1所示，将上部钻杆1与下部钻杆2螺纹连接时(上扣)，从上部钻杆1的螺纹与下部钻杆2的螺纹刚接触开始，旋转上部钻杆1(旋扣)同时对上部钻杆1施加小于上部钻杆1重力的方向向上的举升力，使上部钻杆1对下部钻杆2的螺纹产生方向向下的预压力(施加预压力)，直至上部钻杆1的螺纹与下部钻杆2的螺纹旋紧；此过程中螺纹接触力等于预压力，且螺纹接触力的方向向下；

如图2、图3所示，将螺纹连接的上部钻杆1与下部钻杆2分离时(卸扣)，夹持上部钻杆1，旋转上部钻杆1(旋扣)同时对上部钻杆1施加大于上部钻杆1重力的方向向上的举升力，使上部钻杆1对下部钻杆2的螺纹产生方向向上的预拉力(施加预拉力)，直至上部钻杆1的螺纹与下部钻杆2的螺纹分离；此过程中螺纹接触力等于预拉力，且螺纹接触力的方向向上。

本实施例通过控制举升力，将举升力与上部钻杆1的重力的差值作为螺纹上卸扣的预压力或预拉力，能使上卸扣更平稳、准确，避免接头螺纹在上卸扣过程中因冲击、螺纹未对正而过早损坏。

其中，在将螺纹连接的上部钻杆1与下部钻杆2分离时，由于螺纹处于旋紧状态，在刚旋转上部钻杆1时，需要瞬时增大扭矩(绷扣)，以实现绷扣，然后再降低扭矩。

进一步，预压力与上部钻杆1重力的比值(只考虑力的大小)不大于1/10，预拉力与上部钻杆1重力的比值(只考虑力的大小)不大于1/10，从而能更有效地保护螺纹，避免螺纹在上卸扣过程中损坏。通常将预拉力和预压力的数值控制在100kg×9.8N/kg以下。本方案提供了一种定量控制举升力的方法，实现高度精准的上卸扣作业，对应不同规格或重量的钻杆，给出了相应的定量拉压作用力，以精准、稳定的完成上卸扣作业，同时保护螺纹。

更进一步，预压力与上部钻杆1重力的比值(只考虑力的大小)为1/10，预拉力与上部钻杆1重力的比值(只考虑力的大小)为1/10。

例如，钻井时最常见的钻杆公称直径为5吋，每根钻杆自重约300kg，当采用单根作业时，上扣时可控制举升力约为270kg×9.8N/kg，对应的预压力为30kg×9.8N/kg，卸扣时可控制举升力为330kg×9.8N/kg，对应的预拉力为30kg×9.8N/kg；当采用立根作业时，三根钻杆(即立根)重约900kg，举升力和预压力的计算方法同上。

当然本发明并不限于本实施例所限定的，在将螺纹连接的上部钻杆1与下部钻杆2分离时，还可以在旋转上部钻杆1同时对上部钻杆1施加小于上部钻杆1重力的方向向上的举升力，使上部钻杆1对下部钻杆2的螺纹产生方向向下的预压力，直至上部钻杆1的螺纹与下部钻杆2的螺纹分离，例如此预压力等于上部钻杆1重力的1/10，这种情况下螺纹接触力的数值仍为上部钻杆1重力的1/10，但螺纹接触力的方向向下，尽管这种方案也可实现卸扣，但螺纹在脱开瞬间会短暂摩擦，既增加螺纹过早损坏的风险，又不利于后续移运上部钻杆1的动作，因而，更优选的方案为卸扣时控制举升力大于上部钻杆1的重力，保证螺纹接触力的方向向上。

在一个具体实施例中，钻杆上卸扣方法还包括步骤S110，步骤S110包括：

如图1所示，将上部钻杆1与下部钻杆2螺纹连接时，在上部钻杆1的螺纹与下部钻杆2的螺纹接触之前，先举升上部钻杆1(举升上部钻杆1)并获取上部钻杆1的重力(对上部钻杆1称重)，同时对上部钻杆1施加与上部钻杆1的重力相等的举升力，并朝下部钻杆2移动上部钻杆1(移运上部钻杆1)，直至上部钻杆1的螺纹与下部钻杆2的螺纹上下对正并相接触(螺纹对正并接触)；其中的举升并非指向上移动，而是指对上部钻杆1施加向上的举升力；

如图2、图3所示，将螺纹连接的上部钻杆1与下部钻杆2分离时，在上部钻杆1的螺纹与下部钻杆2的螺纹分离之后，举升上部钻杆1(举升上部钻杆1)并获取上部钻杆1的重力(对上部钻杆1称重)，此重力可以作为对下一根上部钻杆1施加预拉力的基准值，同时对上部钻杆1施加与上部钻杆1的重力相等的举升力，然后将上部钻杆1移走(移运上部钻杆1)，由于两钻杆的螺纹已经脱离连接，当然也可以施加大于上部钻杆1的重力的举升力，本发明对此不加以限制。

如图2所示，在实际起钻操作时，由于多根钻杆依次连接，不方便对正在卸扣的那根上部钻杆1称重，因此通常将已卸扣的上一根上部钻杆1的重力作为正在卸扣的那根上部钻杆1的重力，当对最顶部的第一根上部钻杆1卸扣时，由于不方便对其称重，可以根据钻杆型号估算其重力，并根据估算的重力确定举升力，所对应的预拉力称为初始预拉力。

如图4所示，本发明还提供一种钻杆上卸扣装置，用于将上部钻杆1与下部钻杆2螺纹连接或分离，该钻杆上卸扣装置包括上卸扣工具和用于对上部钻杆1施加方向向上的举升力的举升装置(图未示出)，上卸扣工具包括用于固定下部钻杆2的固定机构3、以及用于旋转上部钻杆1的旋转机构4。

本发明通过设置举升装置，在上卸扣过程中能对上部钻杆1施加举升力，以降低上部钻杆1与下部钻杆2之间的螺纹接触力，避免上部钻杆1完全压在下部钻杆2上，能有效保护接头螺纹，降低螺纹损坏率，操作方便，成本低。而现有的钻杆上卸扣装置仅能旋转钻杆，无法对钻杆施加举升力，导致上部钻杆1的重力完全压在下部钻杆2上，很容易造成螺纹损坏，导致钻杆报废。

具体是，上部钻杆1的下端具有上部钻杆接头11，上部钻杆接头11上具有螺纹，下部钻杆2的上端具有下部钻杆接头21，下部钻杆接头21上具有与上部钻杆接头11配合的螺纹，上部钻杆1和下部钻杆2通过上部钻杆接头11与下部钻杆接头21螺纹连接。

在一个具体实施例中，钻杆上卸扣装置还包括用于测量上部钻杆1的重力的力传感器、以及用于控制举升装置的举升力的控制装置，控制装置与力传感器和举升装置分别电连接，控制装置根据力传感器测得的上部钻杆1的重力控制举升装置对上部钻杆1施加的举升力。

具体是，力传感器将上部钻杆1的重力数据信号传输给控制装置，控制装置对接收到的重力数据进行处理，计算得到举升力数据，再将举升力数据信号传输给举升装置，举升装置根据接收到的举升力数据对上部钻杆1施加举升力，比如在上扣过程中，控制装置接收到的重力数据为G1，控制装置根据设定程序，计算得到举升力数据为0.9G1，在卸扣过程中，控制装置接收到的重力数据为G2，控制装置根据设定程序，计算得到举升力数据为1.1G2，当上卸扣的钻杆为同一根时，G1等于G2。

其中，力传感器可以为压电式力传感器或液压式力传感器，当然还可以是其它类型的传感器，只要能测得上部钻杆1的重力即可。控制装置可以是放置于司钻房中的中央控制系统，用于采集、存储钻杆重力等信息，采用PLC或微处理器比较运算重力、举升力等相关数据。

进一步，钻杆上卸扣装置还包括用于测量上部钻杆1与下部钻杆2的相对位置的位置传感器，位置传感器与控制装置电连接。例如，位置传感器安装在旋转机构4上，根据位置传感器的类型，还可以将位置传感器安装在其他位置，例如，当位置传感器为伸缩杆式传感器时，可以将其安装在固定机构3上，当位置传感器为激光式传感器时，可以将其安装在固定机构和旋转机构的外面，只要能测得上部钻杆1与下部钻杆2的相对位置即可。

具体是，在将上部钻杆1与下部钻杆2螺纹连接时，当位置传感器测得上部钻杆1与下部钻杆2之间有间距时(即螺纹还未接触)，将此位置信号发送给控制装置，控制装置根据接收到的信号，计算得到与上部钻杆1的重力相等的举升力数据，再将该数据信号发送给举升装置，使举升装置对上部钻杆1施加与上部钻杆1的重力相等的举升力；当位置传感器测得上部钻杆1与下部钻杆2之间的间距为零时(即螺纹相接触)，将此位置信号发送给控制装置，控制装置根据接收到的信号，计算得到小于上部钻杆1重力的举升力数据，再将该数信号发送给举升装置，使举升装置对上部钻杆1施加小于上部钻杆1的重力的举升力。

在将上部钻杆1与下部钻杆2分离时，当位置传感器测得上部钻杆1与下部钻杆2之间的间距为零时(即螺纹还未分离)，将此位置信号发送给控制装置，控制装置根据接收到的信号，计算得到大于上部钻杆1重力的举升力数据，再将该数信号发送给举升装置，使举升装置对上部钻杆1施加大于上部钻杆1的重力的举升力；当位置传感器测得上部钻杆1与下部钻杆2之间具有间距时(即螺纹分离)，将此位置信号发送给控制装置，控制装置根据接收到的信号，计算得到与上部钻杆1的重力相等的举升力数据，再将该数据信号发送给举升装置，使举升装置对上部钻杆1施加与上部钻杆1的重力相等的举升力。

在一个可行的技术方案中，举升装置为悬吊装置，悬吊装置能与上部钻杆1连接，并能向上提拉上部钻杆1，举升装置通过向上提拉上部钻杆1，对上部钻杆1施加举升力。例如，悬吊装置包括绞车、缠绕在绞车滚筒上的钢丝绳、能驱动滚筒转动的驱动装置(如电机)和滑轮，驱动装置与控制装置连接，钢丝绳绕过滑轮，并能与上部钻杆1连接，为防止上部钻杆左右偏移，还可以设置竖直的用于对钢丝绳导向的导向杆。但本发明并不限于此，悬吊装置还可以是倒置的液压缸或其它现有的提升装置或提拉装置，只要能向上提拉上部钻杆1即可。

在另一个可行的技术方案中，举升装置为液压缸，液压缸与旋转机构4连接，并能驱动旋转机构4上下移动，液压缸通过向上推顶旋转机构4对上部钻杆1施加举升力。具体是，液压缸的活塞杆与旋转机构4连接。例如，力传感器安装在液压缸上。

如图4所示，在另一个具体实施例中，上卸扣工具为液压大钳、铁钻工或顶驱背钳，固定机构3为背钳，能夹持并固定下部钻杆2，旋转机构4为主钳(或称为动钳)，能夹持并旋转上部钻杆1，主钳能上下移动地与背钳连接。例如，主钳与背钳之间由能够上下移动的活塞杆连接，活塞杆在液压作用下上下移动，液压力的大小由控制器根据测得的上部钻杆1重量计算得到，计算结果传递给液压泵，液压泵输出给定数值的压力。当举升装置为液压缸时，液压缸连接在主钳的钳臂下方，力传感器可以安装在液压缸上。

本发明的钻杆上卸扣方法及装置主要应用于油气钻井行业的钻杆上卸扣，油气钻井行业的钻杆与浅层钻探行业的地质钻杆相比，需要的上卸扣力更大，采用本发明的钻杆上卸扣方法及装置，控制上卸扣时接头螺纹上的接触力，保证上卸扣过程的稳定，保护接头螺纹，实现高度精准的上卸扣作业。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。而且需要说明的是，本发明的各组成部分并不仅限于上述整体应用，本发明的说明书中描述的各技术特征可以根据实际需要选择一项单独采用或选择多项组合起来使用，因此，本发明理所当然地涵盖了与本案发明点有关的其它组合及具体应用。

Claims (10)

1.一种钻杆上卸扣方法，用于将上部钻杆与下部钻杆螺纹连接或分离，其特征在于，所述钻杆上卸扣方法包括：

固定所述下部钻杆；

旋转所述上部钻杆同时对所述上部钻杆施加举升力，直至所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹旋紧或分离。

2.如权利要求1所述的钻杆上卸扣方法，其特征在于，所述旋转所述上部钻杆同时对所述上部钻杆施加举升力，直至所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹旋紧或分离，包括：

将所述上部钻杆与所述下部钻杆螺纹连接时，从所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹接触开始，旋转所述上部钻杆同时对所述上部钻杆施加小于所述上部钻杆重力的举升力，使所述上部钻杆对所述下部钻杆的螺纹产生预压力，直至所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹旋紧；

将螺纹连接的所述上部钻杆与所述下部钻杆分离时，旋转所述上部钻杆同时对所述上部钻杆施加大于所述上部钻杆重力的举升力，使所述上部钻杆对所述下部钻杆的螺纹产生预拉力，直至所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹分离。

3.如权利要求2所述的钻杆上卸扣方法，其特征在于，所述预压力与所述上部钻杆重力的比值不大于1/10，所述预拉力与所述上部钻杆重力的比值不大于1/10。

4.如权利要求2所述的钻杆上卸扣方法，其特征在于，所述钻杆上卸扣方法还包括：

将所述上部钻杆与所述下部钻杆螺纹连接时，在所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹接触之前，举升所述上部钻杆并获取所述上部钻杆的重力，同时对所述上部钻杆施加与所述上部钻杆的重力相等的举升力，直至所述上部钻杆的螺纹与所述下部钻杆的螺纹上下对正并相接触。

5.一种钻杆上卸扣装置，用于将上部钻杆与下部钻杆螺纹连接或分离，其特征在于，所述钻杆上卸扣装置包括：

上卸扣工具，包括用于固定所述下部钻杆的固定机构、以及用于旋转所述上部钻杆的旋转机构；

举升装置，用于对所述上部钻杆施加举升力。

6.如权利要求5所述的钻杆上卸扣装置，其特征在于，所述钻杆上卸扣装置还包括用于测量所述上部钻杆的重力的力传感器、以及用于控制所述举升装置的举升力的控制装置，所述控制装置与所述力传感器和所述举升装置分别电连接，所述控制装置根据所述力传感器测得的所述上部钻杆的重力控制所述举升装置对所述上部钻杆施加的举升力。

7.如权利要求6所述的钻杆上卸扣装置，其特征在于，所述钻杆上卸扣装置还包括用于测量所述上部钻杆与所述下部钻杆的相对位置的位置传感器，所述位置传感器与所述控制装置电连接。

8.如权利要求5至7任一项所述的钻杆上卸扣装置，其特征在于，所述举升装置为悬吊装置，所述悬吊装置能与所述上部钻杆连接，并能向上提拉所述上部钻杆。

9.如权利要求5至7任一项所述的钻杆上卸扣装置，其特征在于，所述举升装置为液压缸，所述液压缸与所述旋转机构连接，并能驱动所述旋转机构上下移动，所述液压缸通过向上推顶所述旋转机构对所述上部钻杆施加举升力。

10.如权利要求5至7任一项所述的钻杆上卸扣装置，其特征在于，所述上卸扣工具为液压大钳、铁钻工或顶驱背钳，所述固定机构为背钳，所述旋转机构为主钳，所述主钳能上下移动地与所述背钳连接。

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