专利名称：顶部驱动单元、管子夹持装置以及钻出井筒的方法
技术领域：
本发明涉及顶部驱动单元、与顶部驱动单元一起使用的管子夹持装置以及钻出井筒的方法。
背景技术：
在构造油井或气井的过程中，在地层中钻凿出井孔(现有技术中有时也称为井筒)。钻头设置在钻柱的端部并发生转动以钻出井孔。通常称之为“钻井泥浆”的钻井液通过钻柱泵送到钻头，尤其用以润滑和冷却钻头。钻探泥浆还用于将钻头所产生的钻屑和其他固体通过环形通道输送到地面，该环形通道形成在钻柱与井孔和/或衬套井孔的套管之间。
在一种现有技术方法中，使用了与钻柱的顶部接头相连的方钻杆来旋转钻柱。处于钻台处的转盘旋转方钻杆，与此同时方钻杆能够竖直地移动通过钻台处的转盘内的传动衬套。在另外一种现有技术方法中，顶部驱动钻探单元悬挂在井架夹具中并旋转钻柱，此时未使用方钻杆。
随着井孔的加深，必须将另外的钻管段(通常是每个包括两个或三个钻杆长度的“钻杆组”)添加到钻柱的顶部以便钻得更深；为了增加各个钻杆组(或单个长度的钻杆)，需要停止钻孔以特别防止钻井液的溢出。将钻杆增加到钻柱上的过程、尤其是将最终端扭矩施加给新接头的步骤通常称之为“组装”。类似地，为了将钻杆从钻柱上拆除以“起出”井孔(譬如为了更换钻头或接合套管的一部分)，其过程是相反的，各个钻杆组必须从钻柱和顶部驱动装置上拧松；还也需要在拆除各个钻杆组(或单个长度的钻杆)的同时停止钻井液的循环。这种从钻柱上取下钻杆的过程、尤其是施加扭矩以便松开接头的步骤通常称之为“拆除”。重新建立钻井液的流动并在井筒中重新构建其所要求的支柱将耗费大量的时间，并且排出钻井液以及将钻井液再次导入到井筒中的作用都会对井筒及被钻探地层上的设备带来有害影响。在这种情况下，可能需要昂贵且费时的额外流体充填(fluid weighting)。
通常优选将钻屑以悬浮形式保持在钻井液中，以帮助将它们从钻头清除，并防止它们重新落回到井筒中。停止流体循环会导致钻屑下沉。为了克服该问题，在许多现有技术系统中尝试使用额外的流体充填，其通常增加流体的粘度。这样的结果是，在地面需要更大的泵送功率来移动更稠的流体；但这种泵送力的增加会导致井下压力过大，由此导致地层损坏或井下流体的流失。
显而易见的是，钻井过程(包括钻井的安装和拆卸)经常会被中断。这是非常不合需要的，原因尤其是使平均钻速降低。
为了解决该问题，已经发展出一种连续循环系统(CCS)并公开在WO98/16716中。该CCS允许钻探泥浆的循环在管子相对于管柱的整个组装及拆卸期间得到执行。WO98/16716尤其披露了使用一组上部封井器(pipe ram)来施加和密封待连接至管柱的单一长度钻杆或钻杆组，使用一组下部封井器来施加和密封钻井中处于管柱顶部的管子部分以在它们之间产生腔室，以及使用全封闭式封井器来分隔在待连接管子的尾销与管柱顶部管子的管套之间的腔室，从而形成上部和下部腔室。在位于全封闭式封井器组与下部封井器之间的下部腔室中，布置有钻探泥浆入口；此外，钻探泥浆供应器设置在待连接管子的顶端处。
为了形成连接，下部封井器组被启动以密封井筒中管柱的顶端，而全封闭式封井器被启动以在钻柱顶部周围形成下部腔室。钻探泥浆被允许流入到下部腔室中并循环进入钻柱的顶部。钻探泥浆从钻柱流到钻头，然后返回经过由钻柱和井孔以常规方式所形成的环形通道。与此同时，单个管子或管组被降低到连续循环系统的顶部中。上部封井器组被启动以对管子进行密封。单一长度管子或管组的上端与钻探泥浆的供应器相连，在致动阀之后钻探泥浆流入到上部腔室中。此时上部和下部腔室中的压力基本相等。全封闭式封井器被打开，管子或管组的阳螺纹端插入到管柱顶端的管套中并发生旋转和扭转由此形成连接。可以对腔室中的钻探泥浆进行排放并将上部和下部封井器打开，由此允许具有增加管子或管组的管柱降低到钻井中。这样，在形成和断开连接的同时，循环得以连续通过管柱和环形通道。这是对传统钻井方法的实质性改进。
已经对上述连续循环系统作出各种改进，包括在连续钻探的同时将单个钻杆或钻杆组连接到钻柱上或从其断开。对于例如使用钻杆或套管进行钻探的情况而言，CCS是非常有用的。
反之，当钻井液连续循环时也可以利用CCS进行钻杆组的拆卸。例如，当起出(trip out)井筒或后扩孔(backreaming)操作时，可能对钻杆组或单一长度的钻杆进行拆卸。后扩孔有利于通过除去键槽而使井孔平滑。
为了在将钻具起出井筒的同时保持钻井液的连续循环，需要将保护接头连接到CCS单元中的钻柱顶部。在连接之后，如上所述地那样通过顶部驱动装置供给钻井液。接着，根据待从钻柱上拆卸的钻杆的数量，需要将钻柱提升到CCS单元之上大约一个、两个或三个管接头(即大约分别是9.1m，18.3m和27.5m)。CCS单元然后能够使钻杆组在适当的位置与钻柱断开，同时保持钻井液的流动。接着，解除顶部驱动装置供给钻井液的任务。然而，在顶部驱动被下降返回到CCS单元以拆卸下一钻杆组之前，钻杆组仍然与保护接头相连并必须被拆除。
美国专利US-A-449596公开了一种悬挂在顶部驱动装置下面的转矩扳手，其用于断开保护接头和钻柱之间的连接。该转矩扳手包括一上部，其具有一系列圆形平行花键，用于与保护接头上的相应花键接合，该转矩扳手还包括带有两个卡爪的下部，其中一个卡爪可通过活塞径向移动以与钻柱接合。在使用中，该转矩扳手沿着钻柱径向移动，从而使上部的花键与保护接头的花键部分地相接合。下部的活塞被触发，由此使卡爪移动进入与钻柱相接合。接着，分别与上部和下部相连的一对活塞被触发，在上部和下部之间施加相对转动从而断开连接。在此之后，保护接头得以通过顶部驱动装置从钻柱旋出。
US-A-449596中公开的钻柱仅仅能够与转矩扳手接触，并通过沿着钻柱的轴向运动与保护接头相连。因此，当新的钻杆组进行连接并持续钻井时，顶部驱动装置的向下运动受到下面的转矩扳手的限制。由于前述的CCS单元位于钻台与顶部驱动装置之间，这样也限制了钻井时顶部驱动装置的向下移动量。在钻井期间更多的装置运用在顶部驱动装置与钻台之间的情况下，存在对这样一种装置的需求该装置允许钻杆组能够从顶部驱动装置快速拆卸，同时顶部驱动被设置处于钻台上方的一段距离，此外，在钻井的同时和/或在起出钻具时将顶部驱动装置连接到钻柱顶部的同时，该装置不会限制顶部驱动装置的向下移动。
发明内容
根据本发明，提供了一种顶部驱动单元，该单元包括顶部驱动装置和连接在该顶部驱动装置之下的管子夹持装置，它们被布置成，在使用时，当管子与所述顶部驱动装置相连时，所述管子夹持装置在第一位置和第二位置之间移动，其中第一位置是所述管子容纳在所述管子夹持装置中的位置，而第二位置是所述管子并未容纳在所述管子夹持装置中的位置。优选地，管子与长度较短的一节管子相连，后者在现有技术中也称之为“保护接头”，其布置在顶部驱动装置与钻柱之间。尽管是消耗性的由此需要更换，该保护接头通常认为是顶部驱动装置的一部分。
优选地，所述管子夹持装置允许元件基本径向地移向/移离所述管子纵轴线。
有利的是，所述顶部驱动单元进一步包括枢转机构，用于使所述管子夹持机构在所述第一和第二位置之间枢轴转动。
优选地，在使用时，所述枢转机构在基本平行于所述管子纵轴线的平面上提供枢转动作。
有利的是，在使用时，所述枢转机构在基本垂直于所述管子纵轴线的平面上提供枢转动作。
优选地，所述管子夹持装置进一步包括允许上述运动的开口喉部。
有利的是，所述管子夹持装置包括具有第一部件和第二部件的主体，该部件各自包括用于限定所述开口喉部的开口，其中在使用时，所述第一部件提供锁定功能，由此抑制了所述主体相对于顶部驱动装置的旋转，所述第二部件提供相对于所述主体的旋转功能，或者形成/断开管子之间的连接。
优选地，所述管子夹持装置包括主体、可移动地连接于该主体的第一卡爪、以及可移动地连接于该主体的第二卡爪。
有利的是，所述第一卡爪和第二卡爪被布置用于环绕两个公共轴枢轴转动，环绕第一公共轴枢轴转动以便夹紧和释放所述管子，以及环绕第二公共轴枢轴转动以便旋转所述管子从而形成/断开与另一管子的连接。
优选地，所述管子夹持装置进一步包括致动装置，其用于使所述第一和第二卡爪移动以夹持和释放所述管子，以及用于形成/断开与另一管子的连接。
有利的是，所述第一卡爪和第二卡爪彼此可枢轴转动地互连。
优选地，所述第一卡爪连接于第二卡爪，以致第一卡爪和第二卡爪能够一起移动。
有利的是，所述管子夹持装置进一步包括与所述第一卡爪可移动地互连的第一活塞/汽缸装置，与所述第二卡爪可移动地互连的第二活塞/汽缸装置，该第一活塞/汽缸装置用于使第一卡爪移动以夹持管子，该第二活塞/汽缸装置用于使第二卡爪移动以夹持管子，并且第一活塞/汽缸装置和第二活塞/汽缸装置都用于使管子旋转。
优选地，所述第一活塞/汽缸装置被布置和操作成使所述第一卡爪沿着第一方向相对于管子移动，由此将所述第一卡爪相对于该管子定位，此外所述第一活塞/汽缸装置被布置和操作成使所述第一卡爪沿着相反于第一方向的第二方向移动，以便通过第一卡爪将管子夹持。
有利的是，所述第二活塞/汽缸装置被布置和操作成使所述第一卡爪沿着第二方向相对于管子移动，由此将所述第二卡爪相对于该管子定位，此外所述第二活塞/汽缸装置被布置和操作成接着使所述第二卡爪基本沿着第一方向移动，以便通过第二卡爪将管子夹持。
优选地，所述第一活塞/汽缸装置被布置成并且在管子夹持在第一卡爪和第二卡爪之间之后被操作成使第一卡爪大体沿着第一方向移动从而旋转管子，以便断开管子和另一管状元件之间的连接，并且所述第二活塞/汽缸装置被布置成并且在管子夹持在第一卡爪和第二卡爪之间之后被操作成使第二卡爪大体沿着第一方向移动从而旋转管子，以便断开管子和所述另一管状元件之间的连接。
根据本发明的另一方面，提供了一种顶部驱动装置和管子夹持装置的使用，所述管子夹持装置具有如上所述的任何一种管子夹持装置特征。
根据本发明的又一方面，提供了一种通过顶部驱动装置钻凿井筒的方法，该方法包括下列步骤在将管子连接到所述顶部驱动装置的同时，使具有任何一种上述特征的管子夹持装置从第一位置移动到第二位置或反之亦然，其中第一位置是管子容纳在所述管子夹持装置中的位置，而第二位置是管子并未容纳在所述管子夹持装置中的位置。
有利的是，上述方法进一步包括下列步骤通过所述管子夹持装置来断开所述管子与连接于所述顶部驱动装置的管子之间的连接。
优选地，上述方法进一步包括下列步骤通过所述管子夹持装置来形成所述管子与连接于所述顶部驱动装置的管子之间的连接。
有利的是，所述断开步骤和/或形成步骤在钻井液的连续循环期间得以执行。
优选地，上述方法进一步包括下列步骤在下入管柱(trip into)期间所述管子连接到所述顶部驱动装置的同时，使所述管子夹持装置移动远离钻井的中心线，由此所述顶部驱动装置可以移动得更靠近钻井设备的平台。
有利的是，上述方法进一步包括下列步骤在起出钻具期间所述管子连接到所述顶部驱动装置的同时，使所述管子夹持装置移向钻井的中心线，由此可以通过所述管子夹持装置断开所述顶部驱动装置与所述管子之间的连接。
在至少一些实施例中，本发明教导了一种新的顶部驱动钻探系统，其具有顶部驱动钻探单元和悬挂在该顶部驱动钻探单元之下的接头断开系统。
在一些例子中，按照本发明的顶部驱动钻探系统包括接头处理系统，其在一个示例中是接头分离器系统即按照本发明的管子夹持系统，该管子夹持系统包括具有一个开口喉部和两个选择性接合卡爪的主体，所述开口喉部用于容纳管状元件，所述卡爪用于接触和抓取已经处于喉部中的管状元件(在一个例子中它是一节钻杆，而在另外一个例子中它可以是钻杆组的一部分)。在一个示例中，各个卡爪具有相互连接在一起的液压缸装置，该液压缸装置得到选择性地控制和启动，从而使卡爪移动进入与管状元件的夹持接合或是脱离与管状元件的夹持接合，这样管状元件能够移出喉部并脱离于管子夹持系统。在另外一个示例中，譬如通过反转用于接头断开的系统，上述系统按照本发明可以用于形成连接(通过对液压流体管线的适当重新配置)。
在一些例子中，这种夹持系统并不用于使管状元件旋转(例如用作管钳)，而是夹持管子并充分旋转以断开它与另一相应管状元件的螺纹连接。在一个示例中，用于实现对管状元件的夹持的液压缸装置还用于实现管状元件的轻微旋转，该轻微旋转足以断开它与另一管状元件的螺纹连接。
在一个示例中，按照本发明用于管子夹持系统的支撑件(与按照本发明的夹持件一起使用，也可以与现有技术中的夹持件一起使用)具有连接于相应主连接件的孔眼元件，所述主连接件与顶部驱动钻探单元相连。各个孔眼元件都具有带槽道的主体和延伸贯穿各个槽道的支撑轴。具有开口喉部的管子夹持主体与这些支撑轴的下端的相连。可选择地，保持机构与这些轴的上端相连。该保持机构具有两个上部锁合件，它们各自带有开口喉部，该喉部将在管子夹持系统处连接于顶部驱动钻探单元的一部分主连接件所包围。这些锁合件可以选择性地进行操作，从而在第一模式中，在钻探的同时(以及在装卸或倒扩孔的同时)，管子夹持系统(如果存在的话，其下面还连接有升降器)悬挂在顶部驱动钻探单元之下；而在第二模式中，上部锁合件枢轴转动，以致主连接件以前被包围的部分从上部锁合件退出并释放支承轴，由此允许管子夹持系统(如果存在的话，其下面还连接有一个装置，譬如但不限于升降器)移动离开与井筒中心线相重合的中心线。由此，在一个具体示例中，悬挂在管子夹持系统下面的升降器能够呈现在钻井人员(譬如井架工但不局限于此)面前以便布置在钻杆周围，譬如钻杆组中的一段钻杆周围但不局限于此。
有利的是，这种系统能够与连续循环系统一起使用。在上部锁合件接合或脱离主连接件的情况下，管子夹持器被移动远离井筒中心线并偏离连续循环系统，这样顶部驱动钻探单元能够使钻柱继续旋转，并允许顶部驱动钻探单元较之管子夹持系统仍然处于连续循环系统(如果与其相连，还包括升降器等)之下的情形向下移动地更远。
在某些例子中，可以使用具有两个对置元件的升降器，这两个元件具有相互作用的两个连接装置以便升降器的任何一侧都可以打开。由此，该升降器能够在一侧打开以允许升降器单元移动远离井筒的中心线，这样顶部驱动钻探单元在增加新的钻杆或钻杆组之前能够将钻柱向下钻得尽可能地深；然后升降器的另外一侧可以打开以便容纳新的钻杆或钻杆组。在某些例子中，这种升降器具有两个对置的、可选择性进行释放的锁合机构以及两个对置的处理凸出物。
因此，本发明至少一些优选实施例的目标在于提供一种管子夹持系统，其中相同的活塞/汽缸装置用于扭转管状元件及用于夹持管状元件；上述系统和方法使用了悬挂在顶部驱动钻探单元之下的开口喉部式管子夹持系统；并且上述系统和方法及装置用于选择性地将管子夹持系统可操作地定位在顶部驱动钻探单元之下，并用于将管子夹持系统选择性地移动远离此位置，以便通过顶部驱动钻探单元使管状元件进一步旋转而无需断开管子夹持系统与顶部驱动钻探单元的连接。
因此，本发明在一些但非全部的实施例中提供了一种顶部驱动系统，该系统具有顶部驱动单元、和与顶部驱动单元相连并处于其下的管子夹持系统，所述管子夹持系统具有开口喉部，用于容纳管子夹持系统所夹持的管状元件。
因此，本发明在一些但非全部的实施例中提供了一种顶部驱动系统，该系统具有顶部驱动单元、和与顶部驱动单元相连并处于其下的管子夹持系统，所述管子夹持系统具有主体、可移动地连接于该主体的第一卡爪、可移动地连接于该主体的第二卡爪、与第一卡爪可移动地互连的第一活塞/汽缸装置，以及与第二卡爪可移动地互连的第二活塞/汽缸装置，所述第一活塞/汽缸装置用于使第一卡爪移动以夹持管子，所述第二活塞/汽缸装置用于使第二卡爪移动以夹持管子，并且第一活塞/汽缸装置和第二活塞/汽缸装置都用于使管子旋转。
上述管子夹持系统可以具有下面的一种或以下多种任意可能的组合与顶部驱动单元相连并处于其下的管子夹持系统具有开口喉部，用于容纳由管子夹持系统所夹持的管状元件；以及/或者其中管子夹持系统具有主体、可移动地连接于该主体的第一卡爪、可移动地连接于该主体的第二卡爪，所述第一卡爪与第二卡爪相连以致第一卡爪和第二卡爪能够一起移动。
因此，本发明在一些但非全部的实施例中提供了一种与顶部驱动单元相连并处于其下的管子夹持系统，该管子夹持系统具有主体、可移动地连接于该主体的第一卡爪、可移动地连接于该主体的第二卡爪、与第一卡爪可移动地互连的第一活塞/汽缸装置、与第二卡爪可移动地互连的第二活塞/汽缸装置，所述第一活塞/汽缸装置用于使第一卡爪移动以夹持管子，所述第二活塞/汽缸装置用于使第二卡爪移动以夹持管子，并且第一活塞/汽缸装置和第二活塞/汽缸装置都用于使管子旋转。上述管子夹持系统可以具有下面的一种或多种任意可能的组合其中所述第一卡爪与第二卡爪相连以致第一卡爪和第二卡爪能够一起移动；其中所述第一活塞/汽缸装置被布置和操作成使第一卡爪沿着第一方向相对于管子拉动，由此将第一卡爪相对于管子定位，此外所述第一活塞/汽缸装置被布置和操作成使第一卡爪沿着相反于第一方向的第二方向移动，以便通过第一卡爪将管子夹持；其中所述第二活塞/汽缸装置被布置和操作成使第一卡爪沿着第二方向相对于管子拉动，由此将第二卡爪相对于该管子定位，此外所述第二活塞/汽缸装置被布置和操作成接着使第二卡爪基本沿着第一方向移动，以便通过第二卡爪将管子夹持；以及/或者其中随着管子夹持在第一卡爪和第二卡爪之间，所述第一活塞/汽缸装置被布置和操作成使第一卡爪大体沿着第一方向移动以便旋转管子，从而断开管子和另一管状元件之间的连接，并且随着管子夹持在第一卡爪和第二卡爪之间，所述第二活塞/汽缸装置被布置和操作成使第二卡爪基本沿着第一方向移动以便旋转管子，从而断开管子与另一管状元件之间的连接。
因此，本发明在一些但非全部的实施例中提供了一种用于将管状元件夹持在顶部驱动单元之下的方法，该方法包括将管状元件的一部分移动进入夹持系统，所述夹持系统位于顶部驱动单元之下并具有用于容纳由管子夹持系统所夹持的管状元件的开口喉部，所述夹持系统具有用于夹持管状元件的夹持机构；将管状元件的一部分移动进入夹持系统的开口喉部；以及通过夹持系统的夹持机构来夹持住管状元件的一部分。
为了更好地理解本发明，现在参看作为示例的附图，其中图1A是现有钻井设备的前视图；图1B是沿图1A中线1B-1B所得的侧视图，并显示了摆向其小鼠洞位置的钻探单元；图1C是图1A中所示钻井设备的一部分的断续正视图，该部分摆向它的缩回位置由此允许将钻杆卸入到钻井中或是拉出钻井；图2是根据本发明安装在井架上、与连续循环系统(CCS)一起使用的顶部驱动单元的透视图；图2A是管子夹持单元的透视图，该管子夹持单元与图2中的顶部驱动单元相连接；图2B和2C是图2中管子夹持装置的一部分的透视剖面图；图3A图2A和2B中与管子一起使用的管子夹持装置的局部剖视、部分横截面的平面图；图3B是图3A中剖视的放大平面横截面；图4至8是平面图，并显示了在图3A中管子夹持装置的操作步骤；图9A-9C是用于图2中管子夹持装置的卡爪的替换性实施例的平面图，每幅图都显示了调节机构的不同位置，该调节机构用于使管子夹持装置能够适应不同直径的管状元件；图10是图2中的顶部驱动单元处于第一操作阶段时的侧视图；图11是图10中的顶部驱动单元处于第二操作阶段时的侧视图；图12是图10和11中的管子夹持单元的透视图，其中该管子夹持单元摆动离开钻柱；以及图13是图2中的顶部驱动单元的侧视图，其中管子夹持装置摆动离开钻杆由此允许顶部驱动单元移动毗邻CCS单元。
具体实施例方式
图1A至1C显示了US4,458,768(其在此结合以便参考)所公开的现有技术钻井设备和顶部驱动系统1010。
现有技术的钻井设备1010包括井架1011，井架1011在由旋转钻柱1013钻出井筒1012的位置之上向上凸出，钻柱1013通过常规手段形成为以端对端方式通过螺纹连接件1014互连在一起的一系列钻杆组。钻柱1013通过与其上端相连的钻探单元1016(譬如，顶部驱动装置)关于它的纵轴线1015旋转。钻柱和钻探单元1016由升降机构1017所支撑并适于上下发生移动，所述升降机构1017包括定滑轮1018、动滑轮1019、从定滑轮1018支承动滑轮1019的滑车1020，以及用于卷进或卷出缆绳1020以便提升或降低动滑轮1019的动力传动绞车。动滑轮1019支承有吊钩1021，吊钩1021的下面悬挂有钻探单元1016，并具有适于打开以便连接和断开钻探单元1016的闸门1121。钻探单元1016和吊钩1019在其上下移动期间被两个分段形成的平行细长导轨1022和1023所引导，这些导轨对滑架1024和滑架1025进行接合和引导，滑架1024形成钻探单元1016的一部分而滑架1025上连接有动滑轮1019。
两个分段形成的导轨1022和1023优选是从各个导轨的上末端延续到其下末端的H型水平截面构造。导轨1022和1023具有上部区域，该上部区域从井架1011的上端延伸到中间井架位置，并与井架刚性相连以便在纵向笔直延伸和彼此平行且平行于钻井轴线1015的位置保持不动。在中间井架位置之下，两个导轨具有彼此平行延伸的第二部分或区域，其持续向下到达位置1027，并由两个枢轴连接装置所安装以便相对于上部区域且关于水平轴线发生摆动。可以使用倾斜的小鼠洞1030(图1B)。
这些导轨具有最下面的第三区域，该第三区域由第二区域所携带以便在竖直位置与倾斜位置之间随其摆动，同时由连接件1031和1032所安装以便关于两个轴线1033和1034发生水平摆动，轴线1033和1034彼此平行且平行于第二区域的纵轴线。
两个枢轴连接件1031和1032包括与第二区域刚性相连的两个平行安装的管子或管状元件1037和1038。导轨的两个第二区域适于通过活塞和汽缸机构1045在竖直位置与倾斜位置之间得以动力驱动，该活塞和汽缸机构的汽缸与井架1011的水平延伸固定部分相连，而它的活塞杆反作用于枢轴连接件1031的管状元件1037。
与动滑轮1019相连的滑架1025包括两个框架1056和1057，所述框架分别部分地关于导轨1022、1023延伸并可旋转地携带有辊1058，所述辊1058以下列方式容纳和接合在不同导轨区域的前后凸缘1059之间将滑架1025有效定位为防止相对于导轨结构的纵轴线作横向移动，并引导滑架仅仅沿着导轨纵向地移动。
钻探单元1016包括如前所述的导轨接触滑架1024，动力单元1061用于旋转钻柱，而常规的旋转接头1062用于将钻井液输送给钻柱1013。
钻探组件的动力单元1061包括具有下部锥形外螺纹的管子部分，该外螺纹构成销并与钻柱1013的上端螺纹相连以对其进行驱动。在许多情况下，常规的转换接头1072和较短的“短管”1073在动力单元之下直接连接到钻柱中。管子部分1070在它的上端具有锥形内螺纹与旋转接头1062的旋转杆1075相连。旋转杆1075与钻柱1013一起相对于旋转接头1062的主体1076转动。主体1076由与动滑轮1019的吊钩1021相咬合的挂钩1077不可旋转地进行支承。钻井液通过柔性入口管1078输送到旋转接头1062，该入口管1078的第二端在大大高于钻台的上升位置1079处与井架相连。为了驱动管状轴1070，动力单元1061包括有电动机。
图2显示了按照本发明的顶部驱动钻探系统10，其包括悬挂在井架12(与图1A中的钻机和井架相类似，具有如图1A中所示的多个部件等)中的顶部驱动钻探单元20。连续循环系统(CCS)30布置在钻台14上，并且保护接头22的一部分从CCS30向上凸起。保护接头22通过TD20进行连接和旋转。
CCS30可以是任何已知的连续循环系统，在一个例子中，它是可从Varco国际公司购买到的CCS系统。CCS30如前所述地那样进行操作。
升降器40悬挂在TD20下面，而管子夹持装置50(PG50)悬挂在TD20下面位于升降器40上方。任何适当的已知升降器可以与管子夹持装置50一起使用。PG50通过连接件18悬挂在TD20上，而升降器40通过连接件24悬挂在PG50上。
参看图2A，通常用附图标记110表示的管子夹持装置悬挂在位于顶部驱动装置102′之下的一对主连接件104′的一端；主连接件的另外一端与顶部驱动装置102′连接(参看图2)。管子夹持装置110包括保持机构150′和移动机构120′。保持机构150′能够使管子夹持机构110相对于主连接件104′基本锁定在这样一个位置在该位置，管子夹持装置110关于主连接件104 ′的摆动得到禁止。移动机构120′能够使管子夹持装置在缩回位置和伸出位置之间移动，其中所述缩回位置是顶部驱动装置102′的保护接头160′可自由转动的位置，而所述伸出位置是保护接头102′如下更具体所述地那样不能够发生转动的位置。
保持机构150′具有套管151′，该套管包括与两个板元件152 ′枢轴相连的上板和下板(在图2A中仅仅显示了一个)。套管151′通过中间弹簧126′与从管子夹持装置110向上延伸的一对轴杆125′相连。各个板元件152′具有开口的喉部155′，主连接件104′的部件可释放地布置于其中。该开口喉部155′由通过一块金属板(尽管也可以使用其他任何合适的材料)整体形成的两个指状件157a′和157b′、以及其余板元件所限定。各个板元件152′在轴杆125′的顶部抵抗中间弹簧126′枢轴转动。为了选择性地避免这种枢轴转动，销156′插入贯穿各个板元件152′。在活塞/汽缸装置156a′的杆的端部中心地布置有轭板156(参看图12)，活塞/汽缸装置的汽缸与套管151′相固定而它的杆穿过上板151a′和下板151b′。轭板156′具有两个端部，它们各自连接至销156b′的顶部。当杆缩回到活塞/汽缸156a′中时，销156b′穿过各个板元件152′上的孔以便将板元件152′锁定就位。各个板元件152′具有至少一个孔，用于当连接件和管子夹持装置110纵向下垂且与钻井中心成一条直线时将其相对彼此锁定(参看图2A)。在此位置，主连接件104′被保持在喉部155′内，该喉部足够得深以致图2A中所示的主连接件104′在处于该位置时不能够从喉部155′移出。当汽缸156a′提升板156′时随着螺栓156c′的拆除，元件152′得以自由地枢轴转动，由此主连接件104′如图12中所示地那样能够自由地从喉部155′移出，而管子夹持装置110′由于重力作用悬挂在主连接件104′之下。通过板元件152′、中间弹簧126′和轴杆125′的相互作用，管子夹持装置110的摆动得到禁止。
移动系统120′具有活塞/汽缸128′用于将管子夹持装置110相对于主连接件104′、由此相对于顶部驱动装置102′和保护接头106′上下移动。活塞杆128d′的上端与各自具有孔眼121′的主体123′相固定，而汽缸132 ′的下端与管子夹持装置110的主体129′相固定。与主体129′相连的可选性保护栏栅131′包围住管子夹持系统110的周边部分，由此特别对管子夹持装置的多个部件进行保护。安装杆128c′在相应的管子128a′中移动。对活塞/汽缸128的致动经由安装杆128c′与管子128a′之间的相对运动而导致管子夹持装置110上下移动。
参照图2A和2B，管子夹持装置110包括主体129和两个可移动的卡爪111和112。卡爪111通过销113与可移动元件114可枢转地连接，而卡爪112通过销115经由连接杆117与可移动元件116可枢转地连接。可移动元件114与四个轴118相连，可移动元件116也与四个轴119相连。连接杆117的一端133通过销134固定于卡爪112。具有可拆卸嵌件136的夹持嵌入装置135通过可拆卸的螺栓137可释放地保持在卡爪112上。双头螺栓149确保可拆卸嵌件136适当处于保持装置135的凹槽153中。带肩螺钉138(也可以参见图9A和相应的说明)延伸穿过卡爪112。连接杆117具有容纳销143的孔139，所述销143穿过卡爪112。图2A所示的连接杆117是顶部连接杆，类似的下部连接杆117b(参见图9A；图2B只是概略性示出)通过相同的销115、134和143连接到卡爪112上。连接杆117和117b允许卡爪112关于销115枢轴地转动。
卡爪111具有可释放地固定于其上的夹持嵌入装置144。螺栓146a将夹持嵌入装置144可释放地固定于嵌件保持主体157。嵌件147通过双头螺栓149a而保持在凹槽148中。螺栓146将嵌件保持主体157与卡爪111相固定。嵌件保持主体157的一端154被保持在凹槽155中，该凹槽由卡爪111的一部分和唇部156所确定。
卡爪111上的孔158容纳着销159，该销159凸出贯穿卡爪111并允许卡爪111相对于卡爪112枢轴转动。卡爪111分别包括顶部111a和底部111b(参看图2A)。
主体129具有开口的喉部161，其用于接纳管状元件的一部分，譬如但不局限于管子、钻杆、保护接头或与顶部驱动钻探系统一起使用的保护接头的花键部分。开口的喉部161确保只需要(相对于管状元件的)径向移动使管子夹持装置110与管状元件接合或脱离；但是也应当认识到，如果需要，其他方向的移动也可以与径向移动结合使用。
可移动元件114通过轴118与基件162相连。可移动元件116通过轴119与基座168相连。
如下所述地，万向接头滑块165和165a(在图2A和2B中仅仅显示了165)与活塞/杆组件的一部分相连。螺栓165d将万向接头滑块165与开键槽的转矩板165f相连(参见图10)。该开键槽的转矩板165f包括与开口喉部161相类似的开口喉部，并与其基本相对准以便在管子夹持装置110的一侧上限定出开口。从平面图看，开键槽的转矩板165f的花键没有形成闭合的圆形。可移动元件116被固定在连接件166(活塞/杆组件的一部分)上，该连接件具有孔166a，在万向接头滑块165上与其整合成一体的销166b延伸贯穿此孔。类似地，可移动元件114被固定在连接件164(活塞/杆组件的一部分)上，该连接件具有孔164a，与万向接头滑块165a整合成一体的销164b延伸贯穿此孔(参看图10)。框架131(实心或管状的)包围主体129。
图3B具体显示了可选择性触动的活塞170，其一端170a密封地布置在嵌件保持主体157的凹槽171内，而另一端170从凹槽171凸出由此接触卡爪112。软管170c中的压力下液压流体被施加给活塞170的端部170a，由此首先将卡爪111、112保持在图3A和图4所示的位置上，也即禁止了卡爪关于销159相对彼此的转动，从而将它们保持在用于接收和释放管状元件的打开位置上。还可以从独立的源头施加压力下液压流体；从现有的液压管线(譬如连接至顶部驱动装置的管线)来施加液压流体；和/或从插入在液压动力源与夹持系统110之间的歧管来施加液压流体。不过，优选从与连接装置164相关联的活塞/杆组件的轴杆164c来供应液压流体。
参看图3A，带有连接件166的活塞/杆组件包括与活塞1 66d相连的轴166c，所述活塞可响应于导入到套管166e的压力下液压流体(来自使活塞170发生移动的任何一种液压动力源)在套管166e中移动。在如图3A中所示的“贮藏”位置，压力被施加至端部166d的表面166f，由此将卡爪112保持在图示的位置，也即相对于钻杆DP的缩回位置。
带有连接件164的活塞/杆组件包括与活塞164d相连的轴164c，所述活塞可响应于导入到套管164e的压力下流体在套管164e中移动。套管164e具有液压动力流体通道164p和164r，用于从活塞166d的任一侧导入/排出液压动力流体。套管164e具有液压动力流体通道164p和164r(参看图2B)，用于从活塞164d的任一侧导入/排出液压动力流体。在如图3A中所示的“贮藏”位置，压力被施加至活塞164d的表面164f，由此将卡爪111保持在图示的位置；如上所述地，同时还供应液压流体来致动活塞170。
图4-7显示了根据本发明用于夹持和扭转管状元件的方法，例如，在一个例子中，使一段钻杆咬合管状元件，然后断开管状元件与另外一个元件之间(譬如在一个例子中，管状元件与顶部驱动系统的保护接头之间)的连接。在本发明的范围内，可以反转系统110并用它来形成管状元件之间的连接。
管子夹持装置110所执行的步骤在CCS单元的运用期间得到执行，该CCS单元用于在如上所述的起出钻具期间使钻井液连续地循环。具体来说，在钻杆组的下接头已经由CCS单元30断开、并且CCS单元的上部腔室中已经排空钻井液之后，管子夹持装置将保护接头与钻杆组之间的连接断开。在上部接头断开之后，钻杆组由升降器40所支承，譬如用于架在管架上。
当钻探人员譬如通过按下钻探人员控制台上的按钮、启动按照本发明的方法来断开保护接头/钻杆的连接时，液压流体被供应给活塞/汽缸128′(参看图2A)和活塞/汽缸156a′(参看图12)。如上所述地，这样启动了移动机构120′来降低管子夹持装置110，由此开键槽转矩板165f的花键与保护接头端部的花键相互接合在一起，并使卡爪111、112与钻柱的管套相对准。此外，活塞/汽缸156a′的移动导致板元件152′相对于套管151′锁紧，由此禁止管子夹持装置110关于主连接件104′端部的摆动。
参看图4，压力下液压流体接着被施加给活塞166d的表面166g，该活塞将套管166e以及连接于其的元件(包括如图4中所示的连接杆117、卡爪112和卡爪111)进行移动，以便将卡爪布置在钻杆DP周围。活塞/杆组件166关于销166b向内转向钻杆DP，由此允许可移动元件116沿着轴166c向外移动而无需将卡爪拉过钻杆DP的纵轴线(在图4中向左)。与此同时，活塞/杆组件164关于销164b向内转向钻杆DP，从而不会将卡爪反向拉过钻杆DP的纵轴线(在图4中向右)。这样做的效果是，夹持件136与146之间的间隔保持相等，而卡爪111和112已经从缩进或贮藏位置(参看图3A)移动到夹持件位于钻杆DP直径上的位置。
如图5A所示，压力下液压流体对活塞164d的表面164g的施加(同时释放表面164f上的液压)使得套管164e向外移动并将卡爪111如图所示地移动，此时卡爪111、112如图5A所示地那样抓住钻杆DP。具体来说，卡爪111、112通过套管164e沿着轴164c的移动从而关于钻杆DP的纵轴线发生旋转。为了允许该旋转，套管166e沿着轴166c后退；否则套管164e和卡爪111的移动会将钻杆DP推出夹持装置。如上所述地，液压流体压力仅仅保持在活塞170上，同时也保持在表面164f上。因此，在压力从表面164f释放的同时，活塞170能够缩回。通过卡爪112与钻杆DP之间的接触，套管164e和166e都向外移动的趋势被阻止。这样钻杆组(设想其悬挂在保护接头上)的重量防止了套管166e的进一步向外移动。因此，该趋势是使卡爪112上的枢转销159关于钻杆DP上的枢转点向内运动；而这个趋势被卡爪111向外拉动枢转销159的趋势所抵消。施加给表面164g和166g的液压由此导致卡爪111、112关于销159枢轴转动(由于活塞170没有提供任何阻力)，从而将夹持件136和147与钻杆DP的外表面相接合。如图5B所示，流体从活塞170端部170a的流出(其允许活塞170缩回到凹槽171中)允许了卡爪112相对于卡爪111移动到图5A-6所示的位置。
夹持件136和147此时与钻杆DP牢固地相接合，并施加压缩力而不是旋转力。此外，通过致动活塞166，卡爪111、112首先被允许移动经过较大的角度，从而如下所述断开连接。
图6显示了连接(譬如钻杆DP与连接于钻杆的保护接头之间的连接)的断开。管子夹持装置110使得卡爪111、112所施加的旋转力能够作用于钻杆DP，同时保持足够的压缩力以将钻杆DP与夹持件136、147相接合。
具体来说，液压流体压力此时被施加给表面166f。这样使得套管166e向内推动，并导致卡爪112由此导致销159试图沿着同一方向移动。然而，该作用力与表面164g上的液压所导致的向外作用力相反，从而导致卡爪111和销259向外移动。其结果是，卡爪111、112被致使将其压缩力保持在钻杆DP上；但是，此时卡爪所施加的两个作用力反向作用在钻杆DP的对置两侧，从而导致形成旋转力。枢转销164b和166b允许轴164c和166c转动，由此允许卡爪111、112关于钻杆转动而无需加宽夹持件136、147之间的间隔。如果施加有足够的液压，会导致当连接杆117的端部117a沿箭头W的方向移动时，钻杆DP沿着箭头A的方向转动，从而将卡爪112沿着箭头R1的方向移动，同时使卡爪111沿箭头R2的方向移动。保护接头(在图6未示出)仍然基本由开键槽转矩板165f的花键部分165e所保持(参见图10)，这样保护接头-钻杆之间的连接得以断开。图10和11显示了(部分地)具有连接件LS的顶部驱动装置TD，该连接件LS支承着支承系统SS，所述支承系统用于支承悬挂有连接件LK的管子夹持装置110，而连接件LK用于支承升降器230和图11中的钻杆DR。
图7显示了由各个套管164e和166e中的活塞164d和166d所提供的对卡爪111和112的行程限制。钻杆已经转动到足以断开连接的程度。为了确保将夹持件136和147从钻杆可靠地进行释放，活塞170获得启动从而导致卡爪111、112枢转分离。
如图8所示，卡爪111、112接着移动到它们的原始位置或“贮藏”位置(如图3A所示)。在此位置，活塞170返回到它的原始位置(参见图3B)。
然后，通过启动活塞/汽缸128以将开键槽转矩板165f与保护接头的花键脱离，管子夹持装置110得以缩回。顶部驱动装置接着能够将保护接头从钻杆旋出。为此目的，钻杆的另外一端可以或不可以由CCS单元30中的钻工保持。
参看图13，当顶部驱动装置20下入井筒或从其起出时，管子夹持装置110可以在主连接件104′上摆动远离钻井的中心线。这样允许了保护接头充分接近CCS单元30，从而使得上述的连续循环能够发生。通过绞动拖拉器缆绳250′，管子夹持装置摆动远离井筒中心线，由此升降器140将其自身放置在连接于拖拉器缆绳250′端部的支座254′上，并径向向上地拉动管子夹持装置110使其与井筒中心线不成一条直线，从而允许保护接头降入到CCS240中并定位钻柱的顶部(在钻出的情况下)。在钻入的情况下，开口喉部161和开键槽转矩板165f的开口喉部使得管子夹持装置110能够径向移动远离井筒的中心线，而无需将保护接头与钻柱的顶部断开。在顶部驱动装置20上升期间，拖拉器缆绳250′能够逐渐解开以允许管子夹持装置110在其自重作用下摆回到井筒中心线。
如图9A-9C所示，按照本发明的装置(如管子夹持装置110)能够有效地适应于不同直径的管状元件。如图9A所示，通过利用垫片181和182、螺母183以及具有带肩螺钉138的开口销184，带肩螺钉138的部分138a凸入到卡爪112内部，由此用作管状元件的止动器(例如但并不局限于，钻杆的直径在3.5英寸至4英寸之间)。
图9B显示了将带肩螺钉138和垫片185和186一起使用，这样带肩螺钉138的部分138a凸入到卡爪112的内部，由此用作管状元件的止动器(例如但并不局限于，钻杆的直径在4.5至5英寸之间)。
图9C显示了将带肩螺钉138和垫片187和188一起使用，这样带肩螺钉138的部分138a凸入到卡爪112内部，由此用作管状元件的止动器(例如但并不局限于，钻杆的直径在5.5至5英寸之间)。
通过利用图9A-9C中所示的带肩螺钉138及相关联的垫片，管状元件得以设置在卡爪111、112之间，这样嵌件136、147能够直径相对地穿过管状元件，从而增强了卡爪111、112对管状元件的夹持效果。作为这种适应不同尺寸的管状元件的方法的替换和/或补充，也可以使用尺寸不同的卡爪。
当按照本发明的系统对现有的顶部驱动装置和/或现有上部管子处理装置使用液压动力管路时，可以使用适当位置的钻探人员操作台、按钮及控制器来控制按照本发明的管子夹持系统。作为选择，也可以使用完全独立的液压动力系统和/或控制器。
本发明教导了一种管子夹持装置，其中使用了相同的液压活塞/汽缸来夹住管状元件并使其旋转。这些装置可以与公知的管子处理装置及钻工结合使用。可以将延伸的保护接头与按照本发明的任何管子夹持系统一起使用，以便例如在连续循环系统中形成连接。
权利要求
1.一种顶部驱动单元，包括顶部驱动装置和可连接在该顶部驱动装置下面的管子夹持装置，它们被布置成，在使用时，当管子与所述顶部驱动装置相连时，所述管子夹持装置可以在第一位置和第二位置之间运动，其中第一位置是所述管子容纳在所述管子夹持装置中的位置，而第二位置是所述管子并未容纳在所述管子夹持装置中的位置。
2.如权利要求1的顶部驱动单元，其中所述管子夹持装置允许元件基本径向地移向/移离所述管子的纵轴线。
3.如权利要求1或2的顶部驱动单元，进一步包括枢转机构，其用于使所述管子夹持机构在所述第一与第二位置之间枢轴转动。
4.如权利要求3的顶部驱动单元，其中在使用时，所述枢转机构在基本平行于所述管子的纵轴线的平面上提供枢转动作。
5.如权利要求3的顶部驱动单元，其中在使用时，所述枢转机构在基本垂直于所述管子的纵轴线的平面上提供枢转动作。
6.如权利要求1-5任何一项的顶部驱动单元，进一步包括允许所述运动的开口喉部。
7.如权利要求6的顶部驱动单元，其中所述管子夹持装置包括具有第一部件和第二部件的主体，所述部件各自包括用于限定所述开口喉部的开口，其中在使用时，所述第一部件提供锁定功能，由此抑制了所述主体相对于顶部驱动装置的旋转，而所述第二部件提供相对于所述主体的旋转功能，或者形成/断开管子之间的连接。
8.如权利要求1-6任何一项的顶部驱动单元，其中所述管子夹持装置包括主体、可移动地连接于该主体的第一卡爪、以及可移动地连接于该主体的第二卡爪。
9.如权利要求8的顶部驱动单元，其中所述第一卡爪和第二卡爪被布置成环绕两个公共轴线枢轴转动，环绕第一公共轴线枢轴转动以便夹紧和释放所述管子，以及环绕第二公共轴线枢轴转动以便旋转所述管子从而形成/断开与另一管子的连接。
10.如权利要求8或9的顶部驱动单元，进一步包括致动装置，其用于使所述第一和第二卡爪移动以夹持和释放所述管子，以及用于形成/断开与另一管子的连接。
11.如权利要求8、9或10的顶部驱动单元，其中所述第一卡爪和第二卡爪彼此可枢轴转动地互连。
12.如权利要求8、9、10或11的顶部驱动单元，其中所述第一卡爪连接于第二卡爪，以致第一卡爪和第二卡爪能够一起移动。
13.如权利要求8、9、10或11的顶部驱动单元，所述管子夹持装置进一步包括与所述第一卡爪可移动地互连的第一活塞/汽缸装置，与所述第二卡爪可移动地互连的第二活塞/汽缸装置，该第一活塞/汽缸装置用于使第一卡爪移动以夹持管子，该第二活塞/汽缸装置用于使第二卡爪移动以夹持管子，并且第一活塞/汽缸装置和第二活塞/汽缸装置都用于使管子旋转。
14.如权利要求13的顶部驱动单元，其中所述第一活塞/汽缸装置被布置和操作成使所述第一卡爪沿着第一方向相对于管子移动，由此将所述第一卡爪相对于该管子定位，此外所述第一活塞/汽缸装置被布置和操作成使所述第一卡爪沿着相反于第一方向的第二方向移动，以便通过第一卡爪将管子夹持。
15.如权利要求14的顶部驱动单元，其中所述第二活塞/汽缸装置被布置和操作成使所述第一卡爪沿着第二方向相对于管子移动，由此将所述第二卡爪相对于该管子定位，此外所述第二活塞/汽缸装置被布置和操作成使所述第二卡爪基本沿着第一方向移动，以便通过第二卡爪将管子件夹持。
16.如权利要求13、14或15的顶部驱动单元，其中所述第一活塞/汽缸装置被布置成并且在管子夹持在第一卡爪和第二卡爪之间以后被操作成使第一卡爪大体沿着第一方向移动以便旋转管子，从而断开管子和另一管状元件之间的连接，并且所述第二活塞/汽缸装置被布置成并且在管子夹持在第一卡爪和第二卡爪之间以后被操作成使第二卡爪大体沿着第一方向移动以便旋转管子，从而断开管子和所述另一管状元件之间的连接。
17.一种顶部驱动装置和管子夹持装置的使用，该管子夹持装置具有上述任何一项权利要求所述的管子夹持装置特征。
18.一种利用顶部驱动装置钻凿井筒的方法，该方法包括下列步骤在将管子连接到所述顶部驱动装置的同时，使如权利要求17所述的管子夹持装置从第一位置移动到第二位置或反之亦然，其中第一位置是管子容纳在所述管子夹持装置中的位置，而第二位置是管子并未容纳在所述管子夹持装置中的位置。
19.如权利要求18的方法，进一步包括下列步骤通过所述管子夹持装置来断开所述管子与连接于所述顶部驱动装置的管子之间的连接。
20.如权利要求18的方法，进一步包括下列步骤通过所述管子夹持装置来形成所述管子与连接于所述顶部驱动装置的管子之间的连接。
21.如权利要求19或20的方法，其中所述断开步骤和/或形成步骤在钻井液的连续循环期间得以执行。
22.如权利要求21的方法，进一步包括下列步骤在装进钻井期间所述管子连接到所述顶部驱动装置的同时，使所述管子夹持装置移动远离钻井的中心线，由此所述顶部驱动装置可以移动得更靠近钻井设备的平台。
23.如权利要求21的方法，进一步包括下列步骤在起出钻具期间所述管子连接到所述顶部驱动装置的同时，使所述管子夹持装置移向钻井的中心线，由此可以通过所述管子夹持装置断开所述顶部驱动装置与所述管子之间的连接。
全文摘要
一种顶部驱动单元，包括顶部驱动装置(20)和可连接在该顶部驱动装置(20)下面的管子夹持装置(50；110)，它们被布置成，在使用时，当管子与所述顶部驱动装置(20)相连时，所述管子夹持装置(50；110)可以在第一位置和第二位置之间移动，其中第一位置是所述管子容纳在所述管子夹持装置(50；110)中的位置，而第二位置是所述管子并未容纳在所述管子夹持装置(50；110)中的位置。
文档编号E21B19/20GK101094967SQ200580045772
公开日2007年12月26日 申请日期2005年11月30日 优先权日2004年11月30日
发明者F·B·斯普林格特, E·T·恩斯利 申请人:瓦克I/P公司