专利名称：改良型水平定向钻探组件器械与方法
技术领域：
本发明通常与地下钻探的组件与方法有关，尤其与水平定向和垂直地下钻探组件与方法有关。
背景技术：
众所周知，在石油、天然气和煤田钻探沼气井时使用垂直钻塔。常规垂直钻塔使用重型钻杆或钻环，以便钻头进入地表并开始钻挖井筒时对其施加下压力。常规垂直钻塔的钻头往地下更深处钻的过程中，有时必须逆向钻探方向施加力(回拉力)，以防钻头承受的力太大，从而损坏钻头或使钻头出故障。
人们还知道，开始从垂直方向钻挖石油、天然气和沼气井，然后在钻头接近目标地层的过程中，逐步将井筒偏向或转向水平方向。然后钻孔在水平方向持续一段距离。这种方法能使钻筒接触更大面积的石油、天然气和沼气生产地层，从而形成一个产量更高、生产期更长的井。为了改装垂直钻塔，使之能够进行垂直一水平复合钻探，有必要在井口铁架塔结构上加装一个顶部驱动装置来改装垂直钻塔，以向钻杆提供旋转力，而不是仅靠轮盘和凯氏伸缩钻杆。轮盘通常安装在钻塔底座或基底上，这样它就不会随着钻杆上下移动。其带凹槽的重型圆钻杆被称为凯氏伸缩钻杆，它滑过轮盘孔与钻杆或套筒相连接。与凯氏伸缩钻杆相咬合的锲子将扭矩传输给钻杆柱，同时允许凯氏伸缩钻杆穿过轮盘孔上下往复运动。顶部驱动同时提供水平钻探时所必需的推拉力。但是由于顶部驱动向钻杆提供推拉力的能力有限，常规设备和方法能钻挖的水平井筒距离也是有限的。水平井筒的直径也受到向钻杆提供推拉力的能力的限制。
人们也知道使用上述垂直一水平钻探方法的变种，这种方法被称为倾斜钻探。在倾斜钻探时，垂直石油、天然气、沼气钻塔被改良，其井口铁架塔与水平面呈45°至60°角。由一个顶部驱动向钻杆提供旋转、推进和回拉力。进一步得知使用通常被称为超单根钻机的钻塔进行石油、天然气和沼气井地下钻探。超单根钻机使用更长的45英尺Range III钻杆长度。超单根钻机因此减少了地下钻探操作所必需的钻具接头的数量。从而钻探过程能够更快地完成。超单根钻机使用一个顶部驱动来旋转钻杆，为钻头提供钻挖所必需的推力，并控制钻挖组件的动作。常规超单根钻机包括推力和旋转扭矩能力有限的顶部驱动单元。因此，使用超单根钻机能达到的水平距离和钻孔直径是有限的。
另外，常规钻塔包含的动力单元是与钻挖器械分离的，因此运输钻塔所需的车辆载荷成倍增加。常规石油、天然气和沼气钻探组件没有锚定在地面上以提高性能规格。相反，常规钻塔使用自身重量来控制机械性能规格。因此，常规钻探机械非常笨重，运输车辆载荷成倍增加。常规石油、天然气和沼气钻塔还在钻杆柱内使用极重的钻环，以向钻杆提供推力，并使用绞盘和线缆系统来提供回拉力。但在水平方向，很重的钻环效率并不高。有些常规石油、天然气和沼气钻塔使用液压缸来提供推力和回拉力。再者，当顶部驱动或轮盘咬合钻柱部分的螺纹头时，常规石油、天然气和沼气机械会经常损坏钻柱部分的螺纹头。
还有，常规钻探组件不包含用于减少钻杆柱磨损的滚轴钻杆引导套管组件。常规钻探组件不包括自动钻杆套插销，使用这种部件可缩短组装和拆卸钻杆和/或套具接头的时间。常规钻探组件不包括钻杆臂，这种部件扣在子结构上，便于在运输过程中拆卸下来。常规钻探组件不包括滑动架和齿轮架(顶部驱动)系统，该系统用于向钻杆柱提供推进和回拉力，从而无需线缆、绞盘、液压缸、链条系统和类似装置来提供上述力。常规钻探组件也不包括滑动轴子组件，这些组件被纳入顶部驱动系统，用于减小对钻杆或衬套螺纹的损伤和磨损。
因此人们希望(一)拥有能向钻杆提供增强的旋转、推进和回拉力的钻探组件。(二)提供相对于常规钻探组件来说，能够钻探出距离更长、直径更大的井筒的钻探组件。(三)提供相对于常规水平定向钻探组件来说，能以更陡的角度钻入地球并钻挖井筒的钻探组件。(四)提供能比常规垂直钻探组件更接近水平的角度钻入地下并钻挖井筒的钻探组件。(五)提供无需用重型钻杆或钻环对钻头施加下压力的钻探组件。(六)提供更便于运输的钻探组件。(七)提供可锚定在地面以提高性能规格的钻探组件。(八)提供无需线缆、绞盘、液压缸、链条系统和类似装置以施加旋转、推进和回拉力的钻探组件。(九)提供一个钻探组件，当顶部驱动或轮盘咬合钻柱部分的螺纹头时，可减轻对钻柱部分螺纹头的损伤和磨损。(十)提供一个钻探组件，从而节约组装和拆卸钻杆和/或套具接头的时间。(十一)提供一个钻探组件，它包括可扣在子结构上的钻杆臂以便在运输期间轻松拆卸。(十二)提供一个钻探组件，以便使用管套管钻柱进行垂直和水平钻探。(十三)提供一个钻探组件，一旦供电组出故障，仍然可以继续工作。
发明的优点本发明的优点之一就是提供能够施加更大的旋转、推进和回拉力的钻探组件。优点之二是提供相对于常规钻探组件来说，能够钻探出距离更长、直径更大的井筒的钻探组件。优点之三是提供相对常规水平定向钻探组件来说，能够以更陡的角度钻进地下并钻挖井筒的钻探组件。优点之四是提供能比常规垂直钻探组件更接近水平的角度钻进地下并钻挖井筒的钻探组件。优点之五是提供无需重型钻杆或钻环就能对钻头施加下压力的钻探组件。优点之六是提供更便于运输的钻探组件。优点之七是提供可锚定在地面上以提高性能规格的钻探组件。优点之八是提供无需线缆、绞盘、液压缸、链条系统和类似装置就可以提供旋转、推进和回拉力的钻探组件。优点之九是提供一个钻探组件，当顶部驱动或轮盘咬合钻柱部分的螺纹头时，可减轻对钻柱部分螺纹头的损伤和磨损。优点之十是提供一个钻探组件，从而节约组装和拆卸钻杆和/或套具接头的时间。优点之十一是提供一个钻探组件，它包括可扣在子结构上的钻杆臂以便在运输期间轻松拆卸。优点之十二是提供一个钻探组件，它可利用管套管钻杆或管套管钻杆柱进行垂直和水平钻探。优点之十三是提供一个钻探组件，一旦供电组出故障，仍然可以继续工作。
通过查看附图和后面的描述，会发现本发明更多的优点。
技术术语解释本文使用的术语“将钻杆钻入钻探面”包括钻入钻杆或钻杆柱被抽出的钻孔。“将钻杆钻入钻探面”也包括从钻孔中抽出钻杆或钻杆柱。
本文使用的术语“钻探面”包括地球的地下层以及钻孔深入的其他任何地层。
本文使用的“液压致动器”包括液压缸、液压旋转致动器、气缸或任何其他使用增压流体施加机械力的装备或系统。
本文使用的“管套管”是指具有外部钻杆壁的钻杆或钻杆柱和被外部钻杆壁完全包围的完全轴向定位的内部钻杆壁。
发明概述此处提出如权利要求的器械包括用于将钻杆钻入钻探面的改良型水平定向钻探组件。本钻探组件包括向组件提供动力的一台动力装置，一个经改进可以沿与钻探面基本平行和基本垂直的面移动的发动机架，以及一个用于移动发动机架的装置。本钻探组件还包括安装在发动机架上的一套旋转和机架组件；旋转和机架组件用于向钻杆施加旋转、推进和回拉力。钻探组件用于将钻杆呈任何相对角度钻入钻探面，该相对角度介于与钻探面基本平行和与钻探面基本垂直之间。
此处提出如权利要求的将钻杆钻入钻探面的方法包括提供改良型水平定向钻探组件。钻探组件包括向组件提供动力的一台动力装置；一个经改进可以沿与钻探面基本平行和基本垂直的面移动的发动机架，一个用于移动发动机架的装置，以及安装在发动机架上的一个旋转和机架组件。旋转和机架组件用于向钻杆施加旋转、推进和回拉力。钻探组件用于将钻杆呈任何相对角度钻入钻探面，该相对角度介于与钻探面基本平行和与钻探面基本垂直之间。该方法还包括将一根钻杆安装在钻探组件上，将发动机架调整到所需钻探角度，将旋转和机架组件调整到与钻杆直接接触的位置，对钻杆施加旋转、推进和回拉力，将钻杆钻入钻探面。
附图简述附图展示了本发明的当前首选实施例，其中的所有类似参考数字均代表类似部件，其中
图1是根据当前发明制作的改良型水平定向钻探组件首选实施例的侧视图，图上的钻探组件处于收缩状态，正准备运往钻探点。
图2是图1所示首选改良型水平定向钻探组件的侧视图，该钻探组件放置在一个首选子结构上，处于收缩状态，等待运输。
图3是图1-2所示首选改良型水平定向钻探组件的侧视图，图中的钻探组件处于垂直地下钻探位置，其钻杆处于水平存放位置。
图4是图3所示首选改良型水平定向钻探组件的俯视图。
图5是图1-4所示首选改良型水平定向钻探组件的侧视图，图中的钻探组件处于垂直地下钻探位置，其钻杆处于垂直钻探位置，同时显示了首选锚定系统。
图6是图1-5所示改良型水平定向钻探组件首选实施例的侧视图，图中的钻探组件处于45°倾斜地下钻探位置，其钻杆处于水平存放位置。
图7是图1-6所示改良型水平定向钻探组件首选实施例的侧视图，图中的钻探组件和钻杆处于45°倾斜地下钻探位置。
图8是图1-7所示改良型水平定向钻探组件首选实施例的旋转和机架组件侧视图。
图9是图1-8所示首选旋转和机架组件的俯视图。
图10是图1-9所示改良型水平定向钻探组件首选实施例的伸缩滑轴子组件的局部侧视图，图中滑轴子组件输出轴处于收缩状态。
图11是图1-10所示改良型水平定向钻探组件首选实施例的伸缩滑轴子组件的局部侧视图，图中滑轴子组件输出轴处于伸展状态。
图12是图1-11所示改良型水平定向钻探组件首选实施例的伸缩滑轴子组件后视图。
图13是当前发明之改良型水平定向钻探组件的第一个可选实施例，显示固定枢轴和宽支柱系统。
图14是图13所示当前发明之改良型水平定向钻探组件的第一个可选实施例俯视图。
图15是当前发明之首选水平定向钻探组件的旋转和机架组件的一个可选实施例俯视图。
图15A是图15所示首选旋转和机架组件下端放大图。
图16是图15和图15A所示旋转和机架组件可选实施例的侧视图。
本发明首选实施例描述现在请参考附图，图1至图12展示了本发明的改良型水平定向钻探组件器械和方法的首选实施例。更具体地说，如图1至图12所示，首选改良型水平定向钻探组件(简称“改良型HDD组件”)通常被指定为参考数字30。首选改良型HDD组件30适用于水平定向钻探应用和垂直地下钻探应用，如石油、天然气和沼气地下钻探。
如图1所示，首选改良型HDD组件30最好包括一对动力装置32和34(未显示)。首选动力装置是柴油动力装置，但本发明也设想可能使用任何适合的动力，如电动机、柴油机和动力装置等。提供了多台动力装置，这样，一旦部分动力装置出现故障，钻探工作仍然可以继续进行。更具体地说，首选HDD组件30包括两台独立的动力装置，因此如果其中一台动力装置需要修理或保养，或者如果与其中一台动力装置相连的液压系统需要修理或保养，该组件仍然可以依靠另一台动力装置全力运转(半速)，并且钻探工作仍然可以不间断继续(单机运转技术，简称为“ROOT”)。从而最大限度地降低了钻孔壁坍塌的风险。动力装置最好附加在改良型HDD组件之上，这样就能与组件合为一体进行运输。但根据本发明的设想，动力装置也可以从钻探组件中拆卸下来，与其他钻探组件部件分开运输。
仍然参考图1，首选改良型HDD组件30也包括旋转和机架组件40。首选旋转和机架组件40适用于沿发动机架42移动，并向钻杆或衬套提供推进、回拉力和旋转扭矩。首选旋转和机架组件是一个正向滑动架和齿轮架系统，用于取代线缆、绞盘、液压缸、链条系统和其他类似装置。首选改良型HDD组件还包括分离扳手组件50和滚筒式抗摩擦钻杆导向套管组件60。首选分离扳手组件50用于构成和脱离钻杆工具连接。首选套管组件60用于减轻对钻杆柱的磨损。
另外，首选HDD组件30包括一对绕轴旋转绞链70(另请参阅图4)，它可使发动机架42在与钻探面大致平行角度(如图1所示)和大致垂直角度(如图3所示)的位置之间移动。首选绕轴旋转绞链70是一种双绞链排列，有两个枢转点。但本发明设想，绕轴旋转绞链可有两个以下或以上枢转点。本发明还设想，可使用两个以下或以上绕轴旋转绞链来使发动机架在与钻探面大致平行角度和大致垂直角度的位置之间移动。
旋转和机架组件40和发动机架42首选用于通过机架液压缸44(另请参阅图4)在大致水平位置和大致垂直位置之间移动。但是根据本发明的设想，也可使用任何合适的装置或组件来使旋转和机架组件和发动机架在大致水平位置和大致垂直位置之间移动，如马达和链条组件、马达和线缆组件、马达和齿轮组件以及类似装置。本发明还设想，可能提供两个以下或以上液压缸来使旋转和机架组件和发动机架在大致水平位置和大致垂直位置之间移动。本发明进一步设想，旋转和机架组件和发动机架可能超过大约90°的弧线移过大致垂直位置。
仍请参阅图1，首选改良型HDD组件30也包括子结构80，该装置用于将组件抬升到足够高度以清除喷出的障碍物(BOP)。另外，子结构80用于将组件锚定在地面上(如图5所示)，这样就可以向钻杆或衬套提供超过组件和子结构自身重量的推进力。图1所示子结构处于拆卸状态，以待运输。首选改良型HDD组件30还包括遥控操作钻杆或衬套滑动组件85。首选滑动组件85用于防止钻杆掉进钻孔。另外，首选滑动组件85还用于缩短执行钻杆和/或套具连接构成和分离操作的时间。另外，首选滑动组件85还具备安全功能，可使人员远离活动中的钻杆和衬套。
仍请参阅图1，钻杆和衬套操纵器90用于将钻杆或衬套100从大致水平并与钻探面完全平行的位置(如钻杆或衬套在存放架上存放的位置)抬升起来。另外，首选操纵器90用于沿枢轴移动钻杆或衬套100至大致垂直位置并与钻探面完全垂直，以进行垂直地下钻探作业。另外，首选操纵器90用于将钻杆100移动至如图7所示的超过垂直的位置。再者，首选操纵器90用于控制钻杆或衬套的姿态，直到钻杆或衬套接上旋转和机架组件。首选操纵器90用于将钻杆或衬套从大致水平的存放位置移到任意合适的位置，以便为钻杆或衬套连接旋转和机架组件。首选操纵器90通过一个或多个销连接与子结构80进行可拆式相连。
仍请参考图1，操纵器90和钻杆或衬套100最好通过操纵器液压缸92从大致水平存放位置移到合适位置，以便使钻杆或衬套与旋转和机架单元相连接。但是根据本发明的设想，也可使用任何合适的装置或组件来将钻杆和衬套操纵器从大致水平存放位置绕轴移到合适位置，以便连接钻杆或衬套和旋转与机架组件，如马达和链条组件、马达和线缆组件、马达和齿轮组件、转动装置以及类似装置。进一步设想是可能提供多个液压缸来移动钻杆和衬套，移动范围在大致水平的存放位置到适于连接钻杆或衬套和旋转与机架组件的适当位置之间。图中的首选钻杆100处于水平存放位置。图中的首选操纵器90正待装载和运输。
仍请参考图1，首选改良型HDD组件30还包括多个调平用千斤顶110。调平用千斤顶110最好安装在组件上，用于校平组件。另外，首选调平用千斤顶110用于稳定改良型HDD组件30。再者，首选调平用千斤顶110安装在子结构80上，以便进一步锚定组件。
现在请参考图2，这是一张改良型HDD组件30的侧视图。更具体地说，图2显示的首选改良型HDD组件30正处于收缩式运输位置，安放在首选子结构80上。如图2所示，首选改良型HDD组件30包括动力装置32(未显示动力装置34)、旋转和机架组件40、发动机架42、机架液压缸44、分离扳手组件50、套管组件60、绕轴旋转绞链70、子结构80、滑动组件85、钻杆和衬套操纵器90、操纵器液压缸92、钻杆100和调平用千斤顶110。
现在请参考图3，这是一张改良型HDD组件30的侧视图。更具体地说，图3所示首选改良型HDD组件30处在适于垂直地下钻探作业的位置。图中的首选钻杆100处于水平存放位置。如图3所示，首选改良型HDD组件30包括动力装置32(未显示动力装置34)、旋转和机架组件40、发动机架42、机架液压缸44、分离扳手组件50、套管组件60、绕轴旋转绞链70、子结构80、滑动组件85、钻杆和衬套操纵器90、操纵器液压缸92、钻杆100和调平用千斤顶110。另外，如图3所示，首选改良型HDD组件30的旋转和机架组件40和发动机架42用于从与钻探面大致平行的位置(如图1和图2所示)绕轴旋转到与钻探面大致垂直的位置，以便进行垂直地下钻探作业。旋转和机架组件40和发动机架42最好通过机架液压缸44在大致水平位置和大致垂直位置之间移动。
现在请参考图4，这是一张改良型HDD组件30的俯视图。更具体地说，图4所示首选改良型HDD组件30正处在图3所示位置，其首选绕轴旋转绞链70处于放低的位置。如图4所示，改良型HDD组件30包括动力装置32、动力装置34、旋转和机架组件40、发动机架42、机架液压缸44、绕轴旋转绞链70、子结构80、钻杆和衬套操纵器90、钻杆100和调整平用千斤顶110。
现在请参考图5，这是一张改良型HDD组件30的侧视图。更具体地说，图5所示首选改良型HDD组件30正在进行垂直地下钻探作业，其钻杆和衬套操纵器90和钻杆100处于垂直钻探位置。另外，图5展示了首选锚定系统115。如图5所示，首选改良型HDD组件30包括动力装置32(未显示动力装置34)、旋转和机架组件40、发动机架42、机架液压缸44、分离扳手组件50、套管组件60、绕轴旋转绞链70、子结构80、滑动组件85、钻杆和衬套操纵器90、操纵器液压缸92、钻杆100、调平用千斤顶110和斜板锚120。另外，如图5所示，钻杆和衬套操纵器90用于随需保持钻杆100的位置，并将其从与钻探面大致平行的位置(如图1-3所示)绕轴移动到与钻探面大致垂直的位置。钻杆和衬套操纵器90最好通过操纵器液压缸92在与钻探面大致平行的位置和与钻探面大致垂直的位置之间移动。
仍请参考图5，首选锚定系统115包括斜板锚120，可将其钉入地下所需深度。锚杆122从斜板锚120伸展至地面。锚杆122可通过锚液压缸124与子结构80相连接。首选锚液压缸124适于插入子结构80机架内的插座中，这样就可以通过转动缸来校正锚杆。首选锚液压缸也可以倾斜斜板锚，并保持预定液压，这样在钻探作业过程中就可保持所需锚杆张力负荷。另一种选择是，可使用裂口锥形套管连接锚杆122和子结构80，上述套管被锁定在锚杆上，并插入与子结构相连接的锥形壳体上。随着锚负荷的增加，裂口锥形套管会更牢固地卡在锥形壳体上，从而增加锚杆的抓握力。
现在请参考图6，这是一张改良型HDD组件30的侧视图。更具体地说，图6展示了首选改良型HDD组件的旋转和机架组件40、发动机架42、钻杆和衬套分离扳手组件50、钻杆引导套管组件60和滑动组件85。图中的首选改良型HDD组件30处于45°角斜面地下钻探位置，其钻杆100处于水平存放位置。所示首选绕轴旋转绞链70处于放低位置。如图6所示，改良型HDD组件30包括动力装置32(未显示动力装置34)、旋转和机架组件40、发动机架42、机架液压缸44、分离扳手组件50、套管组件60、绕轴旋转绞链70、子结构80、滑动组件85、钻杆和衬套操纵器90、操纵器液压缸92、钻杆100和调平用千斤顶110。另外，如图6所示，首选改良型HDD组件30的旋转和机架组件40和发动机架42用于从与钻探面大致平行的位置(如图1和图2所示)绕轴旋转到与水平钻探面呈约45°角的位置，以便进行斜面地下钻探作业。旋转和机架组件40和发动机架42最好通过机架液压缸44在大致水平位置和与水平钻探面呈约45°角的位置之间移动。
现在请参考图7，这是一张首选改良型HDD组件30的侧视图。更具体地说，图7展示首选改良型HDD组件30、旋转和机架组件40、分离扳手组件50、引导套管组件60、滑动组件85和处于45°角斜面地下钻探位置的首选钻杆100。所示首选绕轴旋转绞链70处于放低位置。如图6所示，首选改良型HDD组件30包括动力装置32(未显示动力装置34)、旋转和机架组件40、发动机架42、机架液压缸44、分离扳手组件50、套管组件60、绕轴旋转绞链70、子结构80、滑动组件85、钻杆和衬套操纵器90、操纵器液压缸92、钻杆100和调平用千斤顶110。另外，如图6所示，钻杆和衬套操纵器90和钻杆100用于从与钻探面大致平行的位置(如图1、2、3和6所示)绕轴旋转到与水平钻探面呈约45°角的位置，以便进行斜面地下钻探作业。钻杆和衬套操纵器90和钻杆100最好通过操纵器液压缸92在大致水平位置和与水平钻探面呈约135°角的位置之间移动。
现在请参考图8，这是一张改良型HDD组件30首选实施例的旋转和机架组件40侧视图。首选旋转和机架组件40用于通过齿轮驱动式行星齿轮箱和液压马达组合向钻杆或衬套或钻杆或衬套组提供推进和回拉力。更具体地说，如图8所示，首选旋转和机架组件40包括机架驱动行星齿轮箱140和机架驱动马达142。首选旋转和机架组件还包括旋转齿轮箱行星齿轮箱144、旋转齿轮箱液压马达146和旋转齿轮箱输出轴148。首选旋转齿轮箱和首选输出轴向钻杆或钻杆组传输旋转扭矩。尽管图8展示了用于向首选旋转和机架组件提供动力的液压马达，本发明还设想，旋转和机架组件还可能使用任何适当的如电动机之类的能源来提供动力。
现在请参考图9，这是一张首选旋转和机架组件40的俯视图。如图9所示，首选旋转和机架组件40包括机架驱动行星齿轮箱140和机架驱动马达142。首选旋转和机架组件还包括旋转齿轮箱行星齿轮箱144、旋转齿轮箱液压马达146和旋转齿轮箱输出轴148。另外，首选旋转和机架组件40包括伸缩滑动轴子组件150，后面有更详细的介绍。
现在请参考图10，这是一张HDD组件30首选实施例的首选伸缩滑动轴子组件150的局部侧视图。更具体地说，图10展示了首选滑动轴子组件150，其输出轴148处于收缩状态。如图10所示，首选滑动轴子组件150包括输出轴148、驱动套管154和壳体156。首选输出轴148适于以伸缩方式伸展和收缩，这取决于向旋转和机架组件传输的推力负荷的方向。输出轴最好从轴向收缩状态向壳体156轴向伸进约4英寸距离。首选驱动套管154接入首选输出轴148，以便从滑动轴输入端158向滑动轴输出端160传输旋转扭矩。由于输出轴148的伸缩动作，首选滑动轴子组件能减轻对钻杆和衬套螺纹的损伤和磨损，并能延长钻杆工具接头连接螺纹的寿命。
现在请参考图11，这是一张HDD组件30首选实施例的首选伸缩滑动轴子组件150的局部侧视图。更具体地说，图11展示了首选滑动轴子组件150，其输出轴148处于伸展状态。如图11所示，首选滑动轴子组件150包括输出轴148、驱动套管154、壳体156、输入端158和输出端160。
现在请参考图12，这是一张HDD组件30首选实施例的首选伸缩滑动轴子组件150的截面图。更具体地说，如图12所示，首选滑动轴子组件150包括输出轴148、驱动套管154和壳体156。
现在请参考图13，这是一张改良型水平定向钻探组件第一个可选实施例的侧视图。更具体地说，首选改良型水平定向钻探组件230包括固定枢轴270和宽支柱系统280。首选固定枢轴270便于发动机架242在与钻探面基本平行的位置和与钻探面基本垂直的位置之间进行绕轴移动。固定枢轴270最好用于允许发动机架242在约90°角范围内移动。
现在请参考图13和图14，首选宽支柱系统280用于稳定钻探组件。首选宽支柱系统包括一对宽支柱系统臂282，每根臂均有与发动机架242相连接的发动机架端283和锚定在子结构280上的锚定端284。尽管图13和图14所示宽支柱系统包括一对臂，本发明还设想宽支柱系统可能包括超过或少于两根的臂。本发明还设想，臂的锚定端可能锚定在任何合适的支撑结构上，包括但不仅限于钻探面。另外，尽管图13和图14所示宽支柱系统展示出基本垂直位置上的发动机架，本发明还设想宽支柱系统还可能用于发动机架不在基本垂直位置之时。
现在请参考图15，这是一张当前发明的首选改良型水平定向钻探组件的旋转和机架组件可选实施例俯视图。首选旋转和机架组件通常被指定为参考数字340。首选旋转和机架组件340使用时与管套管钻杆和管套管钻杆组相连接。更具体地说，首选旋转和机架组件340用于将流体(如膨润土、空气和水之类的)泵入管套管钻杆的内管与外管之间的环路内，并导向钻杆组的切断工具(如震动锤)。在此类管套管钻杆应用中，泵过钻杆环路的流体启动切割工具，清除切割工具表面切割下来的物体，并将切割下来的物体导入内管以排放到钻探面。图15A详细描绘了流体和切割下来的物体穿过旋转和机架组件下部的流向(分别以340A和340B箭头线表示)。图15A还清晰展示了首选中心切割物排放软管340C，该软管用于将管套管钻杆(或管套管钻杆组)内管里的切割物传输到切割物排放管370内，下面对此有介绍。
如图15和图16所示，首选旋转和机架组件340包括机架驱动行星齿轮箱341、旋转齿轮箱液压马达346、旋转齿轮箱输出轴348和伸缩滑动轴子组件350。另外，首选旋转和机架组件340还包括管道装置，它用于将流体传输到管套管钻杆和/或管套管钻杆组内管和外管之间的环路中。首选旋转和机架组件340包括用于将切割物从管套管钻杆内管排放出钻探组件的管道装置。更具体地说，在首选旋转和机架组件中，流体注入管360连接到旋转侧入口旋转座架362的下面，以此将流体传输到管套管钻杆内管和外管之间的环路中。入口锤耦合装置364或其他合适的连接装置最好位于流体注入管的上游端。在首选旋转和机架组件内，切割物排放管370也与上述旋转座架372相连，这样就可将切割物从管套管钻杆内管中排放出组件。首选排放管370还包括排放锤耦合装置374或其他一些合适的连接装置。尽管图中所示首选流体注入管360和首选切割物排放管370使用的是首选配置和排列，本发明还设想这些管道可使用任何合适的配置，并采用任何合适的排列位置。
在实际操作中，还发现了本发明器械和方法的许多优点。比如本发明的钻探组件能对钻杆施加更大的旋转、推进和回拉力。本发明的钻探组件能钻挖更长的井筒，并且相对于常规钻探组件，其钻挖的井筒直径更大。本发明的钻探组件能够钻入地层，钻挖井筒的角度范围包括从与水平钻探面大致平行到90°垂直。因此，本发明的钻探组件与常规水平定向钻探组件相比，钻挖的角度更陡；与常规垂直钻探组件相比，钻探的角度更接近水平。本发明的首选钻探组件的锚定系统和旋转与机架组件能够取代重型钻杆或钻环，对钻头施加下压力。本发明的钻探组件使用随带动力装置，组件重量更轻，因此比常规钻探组件更容易运输。本发明的钻探组件的滑动架和齿轮架旋转与机架组件能取代线缆、绞盘、液压缸、链条系统和类似装置以提供旋转、推进和回拉力。本发明的首选钻探组件的滑动组件同时降低了顶部驱动或轮盘咬合钻柱部分螺纹头时对钻柱螺纹头的损伤和磨损。本发明的钻探组件进一步缩短了组装和拆卸钻杆和/或套具接头的时间。扣在子结构上的本发明的钻杆和衬套操纵器横臂使得在运输期间更便于拆卸。本发明的钻探组件还可以使用管套管钻杆和管套管钻杆柱进行垂直和水平定向钻挖作业。此外，因为提供了多台动力装置，一旦动力装置出现故障，本发明的钻探组件仍然可以继续作业(单机运转技术)。
尽管本描述包含许多细节，但不应该认为本发明的细节仅限于此，这里只不过介绍了某些当前的首选实施例，以及发明人进行本发明时预想的最佳方式。如本文所述，本发明允许进一步的改进和完善，同样可对随附如权利要求等价物的含义和范围进行进一步的补充和完善。
权利要求
1.一种用于将钻杆钻入钻探面的改良型水平定向钻探组件，所述钻探组件包括一台用于向钻探组件提供动力的动力装置；一个可在与钻探面基本平行的位置和与钻探面基本垂直的位置之间移动的发动机架；一移动发动机架的装置；一安装在发动机架上的旋转和机架组件，适于向钻杆施加旋转、推进和回拉力；其中，钻探组件用于将钻杆以任何相对角度钻入钻探面，该相对角度介于与钻探面基本平行和与钻探面基本垂直之间。
2.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，动力装置包含至少两台与组件相连的独立动力装置。
3.如权利要求2所述的钻探组件，其特征在于，钻探组件在上述至少两台独立动力装置中的一台或一台以上动力装置不运转时，可用上述至少两台独立动力装置中的另一台以半速全力运转。
4.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，发动机架可枢转地与组件相连。
5.如权利要求4所述的钻探组件，其特征在于，发动机架通过有至少两个枢转点的双股绞链与组件以枢转方式相连。
6.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，发动机架可移动的角度至少达到相对于钻探面的90°左右。
7.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，所述移动发动机架的装置是一个机架液压缸。
8.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，旋转和机架组件是一个正向滑动架和齿轮架系统，它包括一个机架驱动行星齿轮箱；一部机架驱动马达；一个旋转齿轮箱行星齿轮箱；一个旋转齿轮箱液压马达；和一套伸缩滑动轴子组件。
9.如权利要求8所述的钻探组件，其特征在于，伸缩滑动轴子组件包括一根旋转齿轮箱输出轴；一根驱动套管；一个壳体；一个滑动轴输入端；和一个滑动轴输出端。
10.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，还包括一分离扳手组件。
11.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，还包括一钻杆引导套管组件。
12.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，还包括一子结构。
13.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，还包括一个安装在子结构上的调平用千斤顶。
14.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，还包括一衬套滑动组件。
15.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，还包括一个钻杆和衬套操纵器以及一个移动钻杆和衬套操纵器的装置。
16.如权利要求15所述的钻探组件，其特征在于，钻杆和衬套操纵器通过一个销连接可拆卸地与子系统相连。
17.如权利要求16所述的钻探组件，其特征在于，移动钻杆和衬套操纵器的装置是液压致动器。
18.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，还包括一锚定系统。
19.如权利要求18所述的钻探组件，其特征在于，锚定系统包括一个斜板锚、一根锚杆和一个锚液压缸。
20.如权利要求1所述的钻探组件，其特征在于，还包括一宽支柱系统。
21.一种将钻杆钻入钻探面的方法，所述方法包括提供一个改良型水平定向钻探组件，所述钻探组件包括一台用于向钻探组件提供动力的动力装置；一个可在与钻探面基本平行的位置和与钻探面基本垂直的位置之间移动的发动机架；一移动发动机架的装置；一安装在发动机架上的旋转和机架组件，适于向钻杆施加旋转、推进和回拉力；其中，钻探组件用于将钻杆呈任何相对角度钻入钻探面，该相对角度介于与钻探面基本平行和与钻探面基本垂直之间；将一根钻杆安装在钻探组件上；将发动机架移动到所需钻探角度；移动旋转和机架组件，使其直接接触钻杆；对钻杆施加旋转、推进和回拉力；和将钻杆钻入钻探面。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括锚定组件的步骤。
23.如权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括调平组件的步骤。
全文摘要
用于将钻杆钻入钻探面的改良型水平定向钻探组件的器械和方法。钻探组件包括以下几部分向组件提供动力的一台动力装置；一个可以沿钻探面的基本平行面和基本垂直面移动的发动机架，以及用于移动发动机架的装置。本钻探组件还包括安装在发动机架上的旋转和机架组件。旋转和机架组件用于向钻杆施加旋转、推进和回拉力。钻探装置用于将钻杆呈任何相对角度钻入钻探面，该相对角度介于与钻探面基本平行和与钻探面基本垂直之间。该方法还包括以下步骤将一根钻杆安装在钻探组件上；将发动机架调整到所需钻探角度；将旋转和机架组件调整到与钻杆直接接触的位置；对钻杆施加旋转、推进和回拉力，将钻杆钻入钻探面。
文档编号E21B7/02GK1985066SQ200580019952
公开日2007年6月20日 申请日期2005年4月28日 优先权日2004年4月30日
发明者W·G·里尔 申请人:艾斯泰克工业股份有限公司