具有内部夹钳的管道工具的制作方法

专利名称：具有内部夹钳的管道工具的制作方法
技术领域：
本发明涉及钻井操作，更特别地涉及用于辅助管柱装配的装置， 所述管柱例如为套管柱、钻柱等。
背景技术：
油井钻探包括装配钻柱和套管柱，每个钻柱包括从石油钻机向下 伸入孔中的多个细长、沉重的管段。钻柱由多个螺紋接合在一起的管 段组成，其中最下面的管段(即，伸入孔中最远处的管段)在其下端 安装钻头。典型地，套管柱围绕钻柱布置以在钻孔后给井孔加衬并确 保孔的完整性。套管柱同,样由多个管段组成，所述管段螺紋联接在一 起并且形成有其尺寸接收钻柱和/或其它管柱的内径。将多个套管段联接在一起形成套管柱的传统方式是涉及使用"扶 套管入扣的钻工"和套管钳的劳动密集型方法。手动控制扶套管入扣的 钻工将套管段插入已有套管柱的上端，并且套管钳设计成能接合并旋 转所述套管段以使其螺紋连接到套管柱上。尽管这种方法是有效的，但是该方法由于步骤手动完成而变得繁重和相对低效。另外，套管钳 要求套管工正确接合套管段并将该套管段联接到套管柱上。因此，这种方法是相对劳动密集的，从而成本昂贵。而且，使用套管钳需要安 装脚手架或其它类似结构，因此效率变低。因此，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是不断需要在钻 探系统中使用的装置，所述系统利用已有的顶部驱动装置有效地装配 管柱，并且有效接合管段以确保将管段正确地联接到管柱上。本发明 解决了这些及其它需要。发明内容在一个实施例中，本发明是用于将管段联接到管柱上的系统，其包括 一具有输出轴的顶部驱动装置；和一管道工具，所述管道工具 联接到顶部驱动装置上并通过所述顶部驱动装置的输出轴旋转。所述 管道工具包括 一内部夹钳，其用于插入到管段内径中并且包括锥形 卡瓦(slip)锥部，所述锥形卡瓦锥部滑动接收多个卡瓦的相应锥形表 面，使得卡瓦上的竖向力造成卡瓦径向向外移动以与管段内径形成夹 紧接合；并且其中，施加到卡瓦上的竖向力足以使卡瓦与管段内径的 夹紧接合将来自于顶部驱动装置输出轴的扭矩传递给管段。在另一个实施例中，上述内部夹钳是导向插头本体，该导向插头 本体插入管段内径中并包括锥形卡瓦锥部，所述锥形卡瓦锥部滑动接 收多个卡瓦的相应锥形表面。该实施例还包括卡瓦缸，所述卡瓦缸在 卡瓦上施加向下力，从而导致卡瓦径向向外移动以与管段内径形成夹 紧接合，其中，卡瓦缸作用在卡瓦上的向下力足以允许卡瓦与管段内径的夹紧接合将来自于顶部驱动装置输出轴的扭矩传递给管段。在另 一个实施例中，本发明是用于将管段联接到管柱上的系统， 其包括 一具有输出轴的顶部驱动装置；和一管道工具，其联接到顶 部驱动装置上并通过所述顶部驱动装置的输出轴旋转，其中，所述管 道工具包括 一管接合组件，其用于夹紧接合所述管段，从而足以将 来自于顶部驱动装置输出轴的扭矩传递给管段；和一补偿器，其用于 控制管段螺紋端上的载荷。通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的其它特征和优点将 变得显而易见，其中，所述附图以举例方式显示了本发明的特征。


图l是钻机的立面侧视图，所述钻机整合有根据本发明的一个示 例性实施例的管道工具；图2是以放大比例尺显示的图l所示管道工具的侧视图； 图3是沿图2所示直线3-3剖开的剖视图； 图4是沿图2所示直线4-4剖开的剖视图；图5A是沿图2所示直线5-5剖开的剖视图，显示了处于脱离位 置的卡盘/吊卡；图5B是类似于图5A的剖视图，显示了处于接合位置的卡盘/吊卡；图6是包括在本发明的一个示例性实施例中的部件的框图； 图7是本发明的另一个示例性实施例的侧视图； 图8是根据本发明的一个实施例的管道工具的剖视图，其中示意 性地显示了顶部驱动装置；图9是在图8所示管道工具中使用的卡瓦缸的透视图；和图IO是根据本发明另一实施例的管道工具的部分剖开的侧视图。
具体实施方式
如图l-10所示，本发明涉及在钻探系统等中用于将管段螺紋连 接到管柱上的管道工具(在下文中使用时，术语"管段"应当理解为套 管段和/或钻段，而术语"管柱"应当理解为套管柱和/或钻柱)。根据本发明的管道工具接合管段并进一步联接到已有顶部驱动装 置上，使得在管段和管柱之间的螺紋接合操作期间，顶部驱动装置的 旋转给所述管段施加扭矩。在一个实施例中，管道工具包括载荷补偿 器，该载荷补偿器控制在螺紋接合操作期间管段螺紋作用于管柱螺紋 上的载荷。在一个实施例中，管道工具包括用于在螺紋接合操作期间接合管 段外径的卡盘吊卡。在另一个实施例中，管道工具包括导向插头本体， 该导向插头本体具有滑动联接到其上、用于在螺紋接合操作期间可移 除地接合管段内径的卡瓦。在后一实施例中，在螺紋接合操作期间， 在足以使扭矩从顶部驱动装置传递给管段上的作用力作用下，卡瓦块 被向下驱动以接合所述管段。在下面的详细说明中，相同的参考标记用于在不同的附图中表示 相同或相应的元件。现在参考图1和2，其显示出描述了本发明的一 个示例性实施例的管道工具10,所述管道工具设计成在装配例如钻柱、套管柱等的管柱过程中使用。例如图2所示，管道工具10通常包 括框架组件12、旋转轴14和管接合组件16，所述管接合组件16联接 到旋转轴14上以与其一起旋转。管接合组件16设计成选择性地接合 管段ll (例如图1、 2和5A中所示)以充分避免管段ll和管接合组 件16之间的相对旋转。例如图l所示，旋转轴14设计成与已有顶部 驱动装置24的顶部驱动装置输出轴28相联接，使得通常用于使钻柱 旋转以钻出井孔的顶部驱动装置24可用来将管段11装配到管柱34 上，如下面更详细描述的那样。如图所示，在图1中，管道工具10可设计成在钻井机18中使用。 授权给Boyadjieff的美国专利号4，765，401公开了这种钻井机的适当实 例，该文献在此全文引入作为参考。如图l所示，钻井机18包括框架 20和一对导轨22，通常表示为24的顶部驱动装置可以沿所述轨道安 放以便相对于钻井机18竖向移动。顶部驱动装置24优选地为用于使 钻柱旋转以钻出井孔的传统顶部驱动装置，如授权给Boyadjieff的美 国专利号4,605,077中所述，该文献在此引入作为参考。如本领域中传 统的那样，顶部驱动装置24包括驱动马达26和从所述驱动马达26 向下伸出的顶部驱动装置输出轴28,其中可操作驱动马达26使驱动 输出轴28旋转。钻井机18界定了具有中心开口 32的钻台30，诸如 钻柱和/或套管柱的管柱34通过所述中心开口向下伸入井孔中。钻井机18还包括齐平安装的卡盘36，该卡盘配置为在管柱从卡 盘36向下伸入井孔中时可松开地接合所述管柱34并支撑其重量。如 本领域中熟知的那样，卡盘36包括界定了中心通道的大体圆柱形外 壳，管柱34可以穿过所述中心通道。卡盘36包括多个卡瓦，所述卡 瓦位于所述外壳内并在脱离和接合位置之间有选择地移动，.其中卡瓦 径向向内驱动到相应的接合位置以紧密接合管柱34,从而防止管柱34 相对于卡盘外壳的相对运动或旋转。卡瓦优选地通过液压或气动系统 在脱离和接合位置之间被驱动，但是也可以通过其它适当的装置驱动。主要参考图2，管道工具10包括框架组件12,该框架组件包括一 对从连杆接头42向下伸仏的连杆40。连杆接头42界定了中心开口 44，顶部驱动装置输出轴28可以穿过所述中心开口。在中心开口 44的径 向相对侧上安装到连接接头42上的是分别向上延伸的管形构件46(图 1)，所述管形构件隔开预定距离以允许顶部驱动装置输出轴28从其间 穿过。相应管形构件46的上端连接到旋转头48上，所述旋转头连接 到顶部驱动装置24上以与其一起运动。旋转头48界定了可使顶部驱 动装置输出轴28穿过的中心开口 (未显示)，并且还包括轴承(未显 示)，所述轴承接合管形构件46的上端并允许管形构件46相对于旋转 头本体转动，如下文更详细描述的那样。顶部驱动装置输出轴28的下端终止于内花键联轴器52中，所述 内花键联轴器与管道工具10的旋转轴14的上端(未显示)相接合。 在一个实施例中，管道工具10的旋转轴14的上端形成为与花键联轴 器52互补以与其一起旋转。因此，当顶部驱动装置输出轴28通过顶 部驱动装置马达26旋转时，管道工具10的旋转轴14也旋转。应当理 解，可以使用任何适当的连接装置来使顶部驱动装置输出轴28与管道 工具10的旋转轴14牢固接合。在一个示例性实施例中，管道工具10的旋转轴14连接到通常表 示为56的传统的管子上卸装置(pipe handler)上，所述管子上卸装 置可以由适当的扭矩扳手(未显示)接合以使旋转轴14旋转，从而拧 上拆下需要极高扭矩的螺紋接头，如本领域中熟知的那样。在一个实施例中，管道工具的旋转轴14还形成有下部花键段58， 该下部花键段滑动接收在细长的花键衬套60中，所述花键衬套为管道 工具10的旋转轴14的延伸部。旋转轴14和衬套60为花键接合以提 供旋转轴14相对于衬套60的竖向移动，如下文更详细描述的那样。 应当理解，花键连接装置在管道工具10的旋转轴14旋转时使衬套60 转动。管道工具10还包括管接合组件16,该管接合组件在一个实施例 中包括扭矩传递套筒62 (例如图2所示)，该扭矩传递套筒牢固连接 到衬套60的下端上以与其一起旋转。扭矩传递套筒62通常为环形并 且包括一对位于套筒62的径向相对侧上的向上伸出的臂64。臂64形成有相应的水平通道(未显示)，相应的轴承(未显示)安装到所述水平通道中以使位于其中的旋转轴70枢转，如下文更详细描述的那样。 扭矩传递套筒62的下端连接到形式为一对管形构件73的向下伸出的 扭矩框架72上，所述管形构件继而联接到与所述扭矩框架72 —起转 动的卡盘/吊卡74上。显而易见的是，扭矩框架72可以具有任何一种 结构，例如多个管形构件，实心本体或任何其它的适当结构。卡盘/吊卡74优选地由液压或气动系统驱动，或者可选地由电力 驱动马达或任何其它的适当动力系统驱动。如图5A和5B所示，卡盘 /吊卡包括界定有中心通道76的外壳74，管段11可以穿过所述中心通 道。卡盘/吊卡74还包括一对带有可移动活塞杆78的液压或气压缸77， 所述活塞杆通过适当的枢转联动装置79连接到相应的卡瓦80上。联 动装置79枢转连接到活塞杆78的顶端和卡瓦80的顶端。卡瓦80包 括通常平坦的前夹紧表面82和特定轮廓的后表面84,所述后表面设 计成所具有的轮廓使卡瓦80在相应的径向向外布置的脱离位置和径 向向内布置的接合位置之间移动。卡瓦80的后表面沿相应的向下和径 向向内伸出的导向构件86移动，所述导向构件具有互补轮廓并牢固连 接到卡盘本体上。导向构件86与缸77和联动装置79相配合以使卡瓦 80径向向内地以凸轮方式运动，并迫使卡瓦80进入相应的接合位置。 因此，可以给缸77(或其它致动装置)提供动力以向下驱动活塞杆78, 从而导致相应的联动装置79被向下驱动并迫使卡瓦80向下运动。导 向构件86的表面为倾斜的以迫使卡瓦80在其向下驱动以夹住位于它 们之间的管段11时径向向内运动，其中导向构件86使卡瓦80与管段 ll保持紧密接合。为了使管段11与卡瓦80脱离，缸77反向操作以使活塞杆78向 上驱动，所述活塞杆向上牵引联动装置79并使相应卡瓦80缩回到它 们的脱离位置以松开管段11。导向构件86优选地形成有相应的凹口 81，所述凹口接收卡瓦80的相应突出部分83以将卡瓦80锁定在脱离 位置(图5A)。卡盘/吊卡74进一步包括一对形成有面向下方的凹槽90的径向对置、向外突出的耳状物88，所述凹槽90的大小制成接收位于相应连 杆40的底端处的相应形状的圆柱形构件92，从而将连杆40的下端牢 固地连接到卡盘/吊卡74上。耳状物88可以连接到接收于卡盘外壳75 外面的环形套筒93上。可选地，耳状物可以与卡盘外壳整体地形成。
在一个示例性实施例中，例如图2所示，管道工具IO包括通常表 示为94的载荷补偿器。在一个实施例中，栽荷补偿器94的形式为一 对液压的、双杆式缸96,所述缸均包括一对从该釭96选择性地伸出 或缩入其中的活塞杆98。杆98的上端连接到补偿器夹钳100上，所 述补偿器夹钳继而连接到管道工具10的旋转轴14上，而杆98的下端 向下伸出并连接到一对牢固安装到衬套60上的耳状物102上。可以驱 动液压缸96以通过给釭96施加压力而使衬套60相对于管道工具10 的旋转轴14向上牵引，从而导致活塞杆98的上端缩入相应的缸体96 中，其中衬套60和旋转轴14的下花键部58之间的花键连接允许衬套 60相对于旋转轴14竖向移动。这样，由卡盘/吊卡74夹持的管段11 可以竖向抬起以减少由管段11的螺紋施加给管柱34的螺紋的一部分 或全部载荷，如下文更详细描述的那样。
如图2所示，杆98的下端至少部分地缩回，导致来自于管道工具 10的大部分载荷由顶部驱动装置输出轴28承受。另外，当预选最大 值以上的载荷施加给管段11时，缸96使载荷自动缩回以防止全部载 荷施加给管柱ll的螺紋。
在一个实施例中，管道工具10更进一步地包括通常表示为104 的起重机构以将管段ll向上提升到卡盘/吊卡74中。在图2所示实施 例中，起重机构104偏轴设置并且包括一对由轴70携带的滑轮106， 所述轴70旋转支承在形成于臂64中的相应通道内的轴承中。起重机 构104还包括通常表示为108的齿轮驱动装置，所述齿轮驱动装置可
轮106旋转。起重机构还可以包括制动器115以防止轴70及滑轮106 旋转，并将它们及扭矩套(torque hub) 116锁定在适当的位置上。因 此， 一对链、缆索或其它适当的柔性装置可以绕过相应的滑轮106，延伸达到链井113的长度并与管段11接合。轴70随后通过适当的驱 动系统进行旋转以将管段11竖向提升并向上达到管段11的上端伸入 卡盘/吊卡74中的位置。
在一个实施例中，如图1所示，管道工具IO进一步包括环形轴环 109，所述轴环接收于连杆40外面，使连杆40保持锁定到卡盘/吊卡 74的耳状物88上并且防止连杆40扭转和/或旋转。
在使用中，工作人员可以操作管道工具10直到工具10的上端与 顶部驱动装置输出轴28的下端对准。管道工具10随后竖向提升直到 位于顶部驱动装置输出轴28的下端处的花键联轴器52与管道工具10 的旋转轴14的上端接合，以及管道工具10的连杆40与卡盘/吊卡74 的耳状物88接合。工作人员随后可以拉动起重机构104的相应滑轮 106上的一对链或缆索，将链或缆索连接到管段ll上，使适当的驱动 系统与齿轮108接合，并且驱动所述驱动系统以使滑轮106旋转，从 而使管段11向上提升直到管段11的上端延伸穿过卡盘/吊卡74的下 端。随后驱动卡盘/吊卡74，其中液压缸77和导向构件86相配合以迫 使相应的卡瓦80到达接合位置(图5B)，从而正确地接合管段11。 卡瓦80优选地前进足够的程度以防止管段11和卡盘/吊卡74之间的 相对旋转，使得卡盘/吊卡74的旋转转化为管段11的相应旋转，从而 允许管段11与管柱34螺紋接合。
顶部驱动装置24随后通过顶部起重机25相对于钻井机框架20 下降以驱动管段ll的螺紋下端与管柱34的螺紋上端形成接触(图1)。 如图l所示，如本领域的普通技术人员所知，管柱34通过用于将管柱 34固定在适当位置处的齐平安装的卡盘36或任何其它适当结构牢固 保持在适当的位置上。当管段ll的螺紋与管柱34的螺紋正确配合时， 顶部驱动装置马达26被驱动以使顶部驱动装置输出轴28旋转，所述 顶部驱动装置输出轴继而使管道工具10的旋转轴14和卡盘/吊卡74 旋转。这继而导致联接的管段11旋转以螺紋接合管柱34。
在一个实施例中，将管段ll有意下降直到管段ll的下端支撑在 管柱34的顶部上。随后驱动载荷补偿器94以通过衬套60和旋转轴14之间的花键连接装置使对套60相对于管道工具10的旋转轴14向 上驱动。衬套60的向上运动导致卡盘/吊卡74及联接的管段11上升， 从而减少管段ll的螺紋施加到管柱34的螺紋上的载荷。这样，螺紋 上的载荷可以通过驱动载荷补偿器94得到控制。当管段11螺紋联接到管柱34上时，顶部驱动装置24竖向上升以 提升整个管柱34，从而导致齐平安装的卡盘36与管柱34脱离。顶部 驱动装置24随后下降以使管柱34向下运动到井孔中直到顶部管段11 的上端接近钻台30，其中管柱ll的全部载荷由连杆40承受，而扭矩 通过轴提供。随后致动齐平安装的卡盘36以接合管柱11并使其由此 悬挂。卡盘/吊卡74随后反向控制以使卡瓦80缩回到相应的脱离位置 (图5A)以松开管柱11。顶部驱动装置24随后上升以提升管道工具 10直到起始位置(例如图1所示)，并且可以对其它管段11进行重复 的步骤。参考图6，显示了包括在管道工具10的一个示例性实施例中的部 件的框图。在这个实施例中，工具包括以这样的方式安装在管道工具 IO上的传统载荷传感器IIO或其它适当的载荷测量装置，使得它与管 道工具10的旋转轴14关联以确定施加到管段11的下端上的载荷。载 荷传感器110为可操作的以产生代表被测载荷的信号，所述信号在一 个示例性实施例中传送给处理器112。对处理器112进行编程以具有 预定载荷临界值，并且将来自于载荷传感器110的信号与预定载荷临 界值进行比较。如果载荷超过预定临界值，处理器112激活载荷补偿 器94以使管道工具10向上牵引选定距离，从而减少作用于管段11 的螺紋上的至少一部分，荷。当载荷等于或低于预定临界值时，处理 器112控制顶部驱动装置24以使管段11旋转，从而使管段11螺紋接 合到管柱34上。当顶部驱动装置24致动时，处理器112继续监视来 自于载荷传感器110的信号，从而确保管段11上的载荷不超过预定临 界值。可选地，管段ll上的载荷可以手动控制，其中载荷传感器110通 过适当的仪表或其它显示器表明管段11上的载荷，从而使工人控制载荷补偿器94和顶部驱动装置24。参考图7,显示了本发明的管道工具200的另一个优选实施例。 管道工具包括与如上所述的挺升机构104大体上相同的提升机构202。 假定旋转轴204的下端连接到传统的泥浆填注装置206上，如本领域 已知的那样，该泥浆填注装置用于在装配过程中使例如套管段的管段 11装满泥浆。在一个示例性实施例中，泥浆填注装置是由Texas的 Davies — Lynch Inc.制造的装置。提升机构202支撑一对链208，所述链与位于管道工具200下端 的卡瓦式单根吊卡210相接合。如本领域中已知，单根吊卡为可操作 的以可松开地接合管段11,其中提升机构202为可操作的以使单根吊 卡和管段11向上提升并进入卡盘/吊卡74。工具200包括界定了圆柱形下端92的连杆40，所述下端接收在 形成于卡盘/吊卡74的径向相对侧上的通常J形切口 212中。由上可知，显而易见的是，管道工具10有效地使用已有顶部驱动 装置24装配例如套管柱或钻柱的管柱11,并且不依赖于笨重的套管 钳及其它传统的装置。管道工具10整合有卡盘/吊卡74，所述卡盘/ 吊卡不仅夹持管段11，而且使它们旋转从而将管段11螺紋接合到已 有的管柱34上。因此，管道工具IO提供了一装置，该装置夹紧和拧 紧管段ll，并且还能够在管柱降至井孔中时支撑管柱34的全部载荷。图8显示了根据本发明的另一个实施例的管道工具IOB。在该实 施例中，管道工具10B的上端包括具有内螺紋120的顶部驱动装置延 伸轴118，所述内螺紋与顶部驱动装置24的输出轴28上的外螺紋122 螺紋接合。同样，顶部驱动装置24的输出轴28的旋转直接传送给管 道工具10B的顶部驱动装置延伸轴118。注意在另一个实施例中，顶 部驱动装置延伸轴118可以具有外螺紋，并且顶部驱动装置24的输出 轴28可以具有内螺紋。提升缸124附接到顶部驱动装置延伸轴118的下端，所述提升缸 设置在提升缸外壳126内。提升缸外壳126继而例如通过螺紋连接附 接到导向插头本体128上。导向插头本体128包括卡瓦锥形部分130,其滑动接收多个卡瓦132，使得当导向插头本体128放置在管段11中 时，卡瓦132可以沿卡瓦锥形部分130在与管段11的内径134相关的 接合或脱离位置之间滑动。卡瓦132可以利用液压、气动或电气系统 连同其它适当的装置一起在接合和脱离位置之间驱动。在一个实施例中，顶部驱动装置延伸轴118的下端具有允许延伸 轴118相对于内花键环136进行竖向移动、而不是旋转运动的外花键， 顶部驱动装置延伸轴118的花键下端接收在所述内花键环中。花键环 136进一步非旋转地附接到提升缸外壳126上。同样，顶部驱动装置 24的旋转由顶部驱动装置24的输出轴28传递给顶部驱动装置延伸轴 118，所述顶部驱动装置延伸轴通过延伸轴118和花键环136的花键连 接将旋转传递给花键环136。花键环136继而将旋转传递给提升缸外 壳126，所述提升缸外壳将旋转传递给导向插头本体128，使得当导向 插头本体128的卡瓦132与管段11接合时，顶部驱动装置24的旋转 或扭矩传递给管段ll,从而允许管段ll与管柱34螺紋接合。在一个实施例中，管道工具10B包括例如通过螺紋连接附接到导 向插头本体128的上部上的卡瓦缸外壳138。卡瓦缸140设置在卡瓦 缸外壳138中。在一个实施例中，管道工具10B包括一个卡瓦缸140， 所述卡瓦缸连接到多个卡瓦132中的每一个上，使得卡瓦缸140的竖 向运动造成所述多个卡瓦132中的每一卡瓦132在与管段11相关的接 合和脱离位置之间移动。卡瓦缸140的竖向移动可以通过使用位于卡瓦缸外壳138内部的 卡瓦缸140的压缩空气或液压流体作用完成。可选地，可以电子控制 卡瓦缸140的竖向移动。在一个实施例中，卡瓦缸140的下端连接到 多个卡瓦132上，使得卡瓦缸140的竖向移动造成所述多个卡瓦132 中的每一卡瓦132沿导向插头本体128的卡瓦锥形部分130滑动。如图所示，导向插头本体128的卡瓦锥形部分130的外表面为锥 形。例如，在该实施例中，卡瓦锥形部分130沿向下方向径向向外成 锥形，并且所述多个卡瓦132中的每一卡瓦132包括沿向下方向径向 向外相应成锥形的内表面。在一个实施例中，卡瓦锥形部分130包括由径向向内台阶144隔开的第一锥形部分142和第二锥形部分146; 并且所述多个卡瓦132中的每一"^"瓦132包括由径向向内台阶150隔 开的第一锥形部分148和第二锥形部分152。卡瓦锥形部分130和卡 瓦132的向内台阶144和150分别允许所述多个卡瓦132中的每一"f" 瓦132沿竖向方向具有合适的长度，并且不会在卡瓦锥形部分130的 最小部分处产生不希望的小横截面积。卡瓦132的细长长度是人们所 希望的，因为这增大了卡瓦132的外表面和管段11的内径之间的接触 面积。在一个实施例中，当卡瓦缸140布置在向下驱动位置时，卡瓦132 沿导向插头本体128的卡瓦锥形部分130滑下，并且径向向外到达与 管段ll的内径134接合的位置；并且，当卡瓦缸140布置在向上位置 时，卡瓦132沿导向插头本体128的卡瓦锥形部分130向上滑动，并 且径向向内到达与管段11的内径134相脱离的位置。在一个实施例中，每一卡瓦132包括大体平坦的前夹紧表面154， 所述前夹紧表面包括例如齿的夹紧装置以接合管段ll的内径134。在 一个实施例中，卡瓦缸140具有驱动卡瓦缸140达到向下驱动位置的 向下驱动力，其中作用力足以使来自于顶部驱动装置24的扭矩通过卡 瓦132传递给管段11。图9显示了与图8所示管道工具10B —起使用的卡瓦缸140的一 个实施例。如图所示，卡瓦缸140包括头部156和轴158,其中，轴 158包括多个爪(feet) 160,所述爪中的每一个用于附接到位于多个 卡瓦132中一个相应卡瓦上的凹口 162中(同样参见图8)。缝164可 以在卡瓦缸140的多个爪160中的每一个之间延伸，从而给爪160增 大柔性以便于爪160附接到相应的卡瓦132上。卡瓦缸140的头部156 还可以包括用于接收例如O形圏的密封件的周向槽166,从而密封卡 瓦缸头部156以上和以下的液压流体或压缩气体。在各种实施例中， 多个卡瓦132可以包括三个、四个、六个或任何适当数量的卡瓦132。如图8所示，管段检测器168附接到卡瓦缸外壳138上。在一个 实施例中，当由管道检测器168检测的管段邻近管道检测器168放置时，管道检测器168驱动卡瓦缸140到达向下驱动位置，使卡瓦132 移动成与管段11相接合，允许管段11通过顶部驱动装置24进行移动 和/或旋转《同样如图8所示，导向插头本体128的下端包括对扣锥体170， 其沿向上方向径向向外成锥形。这种锥形有利于导向插头本体128插 入管段11中。用于接收膨胀型封隔器174的周向槽172邻近对扣锥体 170。在一个实施例中，对于封隔器174而言存在两种操作选择。例如， 封隔器174可在管子/套管移动期间在放气或充气状态下使用。当使套 管柱/管柱充满泥浆流体/钻井流体时，有利的是使封隔器174处于放 气状态以便使空气从套管中排出。这称作装满模式。当泥浆需要在高 压和高流动状态下在整个套管柱中循环时，有利的是使封隔器174处 于充气状态以密封套管的内部容积。这称作循环模式。在一个实施例中，处于放气状态的膨胀型封隔器174的外径大于 锥体170的最大横截面积。这有助于流向锥体170的任何钻井流体导 向膨胀型封隔器174的下侧，使得在循环模式期间，膨胀型封隔器174 的下侧上的压力导致封隔器174充气并且形成封闭管段11内径的密 封。这种密封防止钻井流体接触卡瓦132和/或导向插头本体128的卡 瓦锥形部分130,从而可以减小管段11的内径134上的卡瓦132的夹 紧力。在管道工具包括外部夹钳(例如图2所示)的实施例中，封隔器 可以布置在卡瓦上方。通过在设定卡瓦之前控制管子通过卡瓦上推到 什么程度，可以控制封隔器在卡瓦设定时是否插入套管(循环模式) 或仍然在套管上方(装满模式)。为此，这种管道工具可以包括能够检 测两个独立管位置的管位置传感器。现在参见管道工具10B的上部，补偿器外壳176附接到花键环136 的上部。弹簧组件177设置在补偿器外壳176上方。载荷补偿器178 布置在补偿器外壳176内并且其上端通过连接器或"保持器"180附接 到顶部驱动装置延伸轴118上。载荷补偿器178可在补偿器外壳176 内竖向移动。由于载荷补偿器178以不可竖向移动的方式附接到顶部驱动装置延伸轴118上，并且延伸轴118通过花键连接连接到导向插 头本体128上，当导向插头本体128与管段11接合时，载荷补偿器 178的竖向移动导致顶部驱动装置延伸轴118和导向插头本体128之 间的相对竖向移动，并因此导致顶部驱动装置24和管段11之间的相 对竖向移动。管段11和顶部驱动装置24之间的相对竖向移动起到几个作用。 例如，在一个实施例中，当管段ll螺紋接合到管柱34中时，管柱34 通过齐平安装的卡盘36的作用以不可竖向和旋转运动的方式保持。因 此，当管段11螺紋接合到管柱34中时，管段ll向下移动。通过允许 顶部驱动装置24和管段11之间的相对竖向移动，顶部驱动装置24 在管段ll和管柱34之间的螺紋接合操作期间无需竖向移动。同样， 允许顶部驱动装置24和管段11之间的相对竖向移动使管段11的螺紋 施加到管柱34的螺紋上的载荷得到控制或补偿。如卡瓦缸140—样，载荷补偿器178的竖向移动可以通过使用载 荷补偿器178的压缩空气或液压流体作用或者通过电子控制，连同其 它适当的装置一起完成。在一个实施例中，载荷补偿器178是空气緩 冲式补偿器。在这个实施例中，空气通过软管182充入补偿器外壳176 中，并且以预定作用力向下作用在载荷补偿器178上。这使管段11 向上移动预定距离并且以预定量减小了作用于管段11的螺紋上的载 荷，从而以预定量控制作用在管段ll的螺紋上的载荷。可选地，载荷传感器(未显示)可用于测量管段11的螺紋上的载 荷。处理器(未显示)可以具有预定临界载荷并进行编程以驱动载荷 补偿器178，从而在载荷传感器检测到超过处理器的预定临界值的载 荷时减小作用于管段ll的螺紋上的载荷，与上文参照图6所述的类似。如图8所示，提升缸外壳126包括载荷肩部184。因为提升缸124 设计成可与载荷补偿器178 —起竖向移动，在管段11和管柱34之间 的螺紋接合操作期间，提升缸124设计成与载荷肩部184脱离，从而 允许载荷补偿器178控制管段11的螺紋上的载荷，并且允许管段11 相对于顶部驱动装置24运动。然而，当人们希望提升管段ll和/或管柱34时，提升缸124通过顶部驱动装置24竖向向上移动以与载荷肩 部184形成接触。管道工具10B和由此保持的任何管的重量随后通过 提升缸124和载荷肩部184之间的相互作用得到支撑。同样，管道工 具10B能够给管段11传送扭矩和提升载荷。
如图8所示，顶部驱动装置延伸轴118包括通向提升缸124中的 钻井流体阀188的钻井流体通道186。延伸轴118中的钻井流体通道 186和提升缸124中的钻井流体阀188允许钻井流体从内部流过花键 环136和延伸轴118的花键部之间的花键连接，因此不与该花键连接 发生干涉或"干扰"。提升缸124还包括用于接收诸如O形圏的密封件 的周向槽192，从而提供防止钻井流体向上流过此处的密封，从而进 一步保护花键连接。在提升缸124的钻井流体阀188以下，钻井流体 流过导向插头本体128中的钻井流体通道l卯，流过管段11和管柱34 的内径并向下流入井孔。在一个实施例中，管段ll是直径为至少14 英寸的套管段。
图10显示了管道工具IOC，其具有用于夹紧管段11C的外径的 外夹紧式管接合组件16C和载荷补偿器178C。图10的外夹紧式管接 合组件16C包括与上文参照图2-5B所示管接合组件16描述的大体 上相同的元件和功能，因此不再重复描述，但下文明确说明的除外。
图10的实施例显示了具有输出轴122C的顶部驱动装置24C，所 述输出轴122C连接至管道工具IOC上的顶部驱动装置延伸轴118C。 顶部驱动装置延伸轴118C的下端具有允许延伸轴118C相对于内花键 环136C进行竖向移动、而不是旋转运动的外花键，顶部驱动装置延 伸轴118C的花键下端接收在所述内花键环中。
载荷补偿器178C通过保持器180C连接到顶部驱动装置延伸轴 118C上。载荷补偿器178设置在载荷补偿器外壳176内并可相对于该 载荷补偿器外壳竖向移动。载荷补偿器外壳176连接至花键环136C, 所述花键环进一步连接至管接合组件16C的上部。弹簧组件177C设 置在载荷补偿器外壳176C的上方。
由于载荷补偿器178C以不可竖向移动的方式附接到顶部驱动装置延伸轴118C上，并且延伸轴118C通过花键连接(即，花键环136C ) 连接到管接合组件16C上，当管接合组件16C与管段11C接合时， 载荷补偿器178C的竖向移动导致顶部驱动装置延伸轴118C和管接合 组件16C之间的相对竖向移动，并因此导致顶部驱动装置24C和管段 IIC之间的相对竖向移动。载荷补偿器178C的竖向移动可以通过使用载荷补偿器178C的压 缩空气或液压流体作用或者通过电子控制，连同其它适当的装置一起 完成。在一个实施例中，载荷补偿器178C是空气緩冲式补偿器。在 这个实施例中，空气通过软管充入补偿器外壳176C中，并且以预定 作用力向下作用在载荷补偿器178C上。这使管段11C向上移动预定 距离并且以预定量减小了作用于管段11C的螺紋上的载荷，从而以预 定量控制作用在管段11C的螺紋上的载荷。可选地，载荷传感器(未显示)可用于测量管段11C的螺紋上的 载荷。处理器(未显示)可以具有预定临界载荷并进行编程以驱动载 荷补偿器178C,从而在载荷传感器检测到超过处理器的预定临界值的 载荷时减小作用于管段11C的螺紋上的载荷，与上文参照图6所述的 类似。根据本发明一个具体实施例的管道工具可以设置有提升机构202 和链208以移动单根吊卡210,所述单根吊卡布置在如上文参照图7 所述的管道工具的下方。可选地， 一套钢缆/钢索可出于相同的目的附 接到管道工具的底部，例如图10所示。还是如图10所示，管道工具IOC包括框架组件12C,该框架组 件包括一对从连杆接头42C向下伸出的连杆40C。连杆40C的下端通 过吊环71C连接并支撑。吊环71C滑动连接到扭矩框架72C上。从 图10所示位置开始，吊环71C的顶面接触扭矩框架72C上的外载荷 肩部。同样，吊环71C起到与如上文参照图8所述的提升缸192类似 的作用。当补偿器178C设置在中间冲程位置，例如中冲程位置时， 吊环71C的顶面从图10所示位置向下移动，与扭矩框架72C的外载 荷肩部脱离，从而允许补偿器178C进行补偿。在一个实施例中，当整个管柱提升时，补偿器178C接触到底并 且扭矩框架72C的外载荷肩部支撑在吊环71C的顶面上。在一个实施 例中，连杆接头42C、连杆40C和吊环71C轴向固定到顶部驱动装置 24C的输出轴122C上。同样，当扭矩框架72C上的外载荷肩部支撑 在吊环71C上时，补偿器178C不能轴向移动，同样不能补偿。因此， 在一个实施例中，在管段装配到管柱上的期间，补偿器178C使扭矩 框架72C和管道工具10C上的顶部驱动装置延伸轴118C向上提升， 直到补偿器178C处于中间位置，例如中冲程位置。在这一运动期间， 扭矩框架72C与吊环71C轴向脱离。尽管没有显示，但图2-5B所 示的管接合组件16可以以图IO所示方式附接到其连杆40上。
尽管已经图解说明和描述了本发明的几种形式，但对本领域的普 通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况 下可以进行各种改型和改进。因此，本发明不限于此，而是受到所附 权利要求的限制。
权利要求
1.一种用于将管段联接到管柱上的系统，包括具有输出轴的顶部驱动装置；和管道工具，其联接到顶部驱动装置上并能够通过所述顶部驱动装置的输出轴旋转，所述管道工具包括内部夹钳，其用于插入到管段内径中并且包括锥形卡瓦锥部，所述锥形卡瓦锥部滑动接收多个卡瓦的相应锥形表面，使得卡瓦上的竖向力造成卡瓦径向向外移动以与管段内径形成夹紧接合；并且其中，施加到卡瓦上的竖向力足以使卡瓦与管段内径的夹紧接合将来自于顶部驱动装置输出轴的扭矩传递给管段。
2. 如权利要求l所述的系统，其中，卡瓦缸给所述多个卡瓦中的 每一卡瓦施加竖向力。
3. 如权利要求l所述的系统，其中，所述卡瓦缸包括头部、杆部 和附接到所述杆部上的多个爪，其中每个爪附接到相应的一个卡瓦上。
4. 如权利要求l所述的系统，其中，所述内部夹钳包括位于其下 端上的锥形对扣锥体和附接到位于卡瓦锥形部分和对扣锥体之间的内 部夹钳上的膨胀型封隔器，所述对扣锥体有利于内部夹钳插入管段中， 并且其中，所述膨胀型封隔器在膨胀型封隔器充气时与管段内径形成密封。
5. 如权利要求l所述的系统，其中，所述卡瓦锥形部分包括由径 向向内台阶隔开的第一锥形部分和第二锥形部分，并且其中，所述多 个卡瓦中的每一卡瓦包括由径向向内台阶隔开的第一锥形部分和第二 锥形部分。
6. 如权利要求l所述的系统，其中，所述管道工具能够相对于顶 部驱动装置竖向移动。
7. 如权利要求l所述的系统，其中，所述管道工具包括用于使管 段相对于顶部驱动装置竖向移动的补偿器。
8. 如权利要求l所述的系统，其中，所述管道工具包括用于控制管段螺紋端上的载荷的补偿器。
9. 如权利要求8所述的系统，其中，所述补偿器以预定量加压， 从而以预定量减小管段螺紋端上的栽荷。
10. 如权利要求l所述的系统，还包括邻近内部夹钳布置的管道 检测器，其在检测管段时对卡瓦施加竖向力。
11. 一种用于将管段联接到管柱上的系统，包括 具有输出轴的顶部驱动装置；和管道工具，其联接到顶部驱动装置上并通过所述顶部驱动装置的 输出轴能够旋转，所述管道工具包括导向插头本体，其用于插入管段内径中并包括锥形卡瓦锥部， 所述锥形卡瓦锥部滑动接收多个卡瓦的相应锥形表面；卡瓦缸，其在卡瓦上施加向下力，从而导致卡瓦径向向外移 动以与管段内径形成夹紧接合，其中，卡瓦缸作用在卡瓦上的向下力 足以允许卡瓦与管段内径的夹紧接合将来自于顶部驱动装置输出轴的 扭矩传递给管段。
12. 如权利要求11所述的系统，其中，所述卡瓦缸为单个缸，其 连接到所述多个卡瓦中的每一卡瓦上并对其施加向下力。
13. 如权利要求11所述的系统，还包括邻近导向插头本体布置的 管道检测器，其在检测管段时对卡瓦施加向下力。
14. 如权利要求11所述的系统，其中，所述卡瓦锥形部分包括由径向向内台阶隔开的第一锥形部分和第二锥形部分，并且其中，所述多个卡瓦中的每一卡瓦包括由径向向内台阶隔开的第一锥形部分和第 二锥形部分。
15. 如权利要求11所述的系统，其中，所述管道工具包括用于控 制管段螺紋端上的载荷的补偿器。
16. —种用于将管段联接到管柱上的系统，包括 具有输出轴的顶部驱动装置；和管道工具，其联接到顶部驱动装置上并通过所述顶部驱动装置的 输出轴能够旋转，所述管道工具包括管接合组件，其用于夹紧接合所述管段，从而足以将来自于顶部驱动装置输出轴的扭矩传递给管段；和补偿器，其用于控制管段螺紋端上的载荷。
17. 如权利要求16所述的系统，其中，所述管接合组件夹紧接合 管段内径。
18. 如权利要求16所述的系统，其中，所述管接合组件夹紧接合 管段外径。
全文摘要
一种用于将管段联接到管柱上的系统，包括一具有输出轴的顶部驱动装置；和一管道工具，其联接到顶部驱动装置上并通过所述顶部驱动装置的输出轴旋转。所述管道工具包括一内部夹钳，其用于插入到管段内径中并且包括锥形卡瓦锥部，所述锥形卡瓦锥部滑动接收多个卡瓦的相应锥形表面，使得卡瓦上的竖向力造成卡瓦径向向外移动以与管段内径形成夹紧接合；并且其中，施加到卡瓦上的竖向力足以使卡瓦与管段内径的夹紧接合将来自于顶部驱动装置输出轴的扭矩传递给管段。
文档编号E21B19/18GK101253305SQ200680029927
公开日2008年8月27日 申请日期2006年6月12日 优先权日2005年6月24日
发明者A·克里南, B·L·艾登, D·朱哈茨, D·梅森, G·L·范维彻姆, G·博亚杰夫, H·J·D·博特格, H·M·坎普霍斯特, H·范赖津根 申请人:瓦克I/P公司