专利名称：同步管件装卸系统的制作方法
技术领域：
0005本发明涉及在钻井作业同步并独立地进行着的时候，在单独 的钻井甲板、井架和旋转系统中或它们周围运输、安装、贮存及拆卸油田 管件的新方法和系统。 Lund的美国专利US4，850，439中公开了一种与钻井运转同时 进行的装卸管件的方法和系统，其公开的内容以参引的方式结合到本文 中。Luiid采用一种预备孔和辅助升降机进行立根离线组装。Lund提出， 在钻井运转的同时，当辅助升降机向上移动时将第一管件提升到竖直位 置，从而将管件悬至缆索上并继而降下，放入预备孔中。Luiid提出，另 一管可悬至第一管件上方并进行连接(专利'439，第7栏第58行至第8 栏第19行)。至于第三个管件，如果预备孔顶端之下的自由空间小于两个 管件的长度，Lund提出采用另一个辅助升降机。在这种情况下，必须将 预备孔从第一辅助升降机的竖直悬挂线上移开或与其形成一倾斜角度(专 利，439，第9栏第58行至第IO栏第46行)。 Berry的美国专利US6，976，540中披露了另一离线立根组装 的方法和系统，其公开的内容以参引的方式结合到本文中。Berry在该申
8请中提出的方案中包括负载和预备钻杆的装卸装置("预备装置")，存放 钻杆的操作装置("存放装置")和井架顶端的管件存放区。该预备装置包 括可围绕其纵轴旋转的竖直桁架。该预备装置还包括连接于从竖直桁架伸 出的升降缆索端部的夹紧装置。该夹紧装置手动地连接于已经被放置在架 空步道上的预备装置或钻杆坡道附近的管件一端，管件，从而当缆索向预 备装置縮回时，被提升的管件由缆索悬挂着，这类似于Limd和Smedvig 系统。 Berry提出，桁架随后通过一环形轨道将竖直管件悬挂入第 一预备孔，其已经沿着该轨道放置。该预备装置接着可将第一管件放入第 一预备空中。其采用两个预备孔来实施立根的组装，类似于Smedvig系统。 该预备装置随后将该组装后的立根竖直提升至该井架顶端，并直接与该存 放装置进行交接，该存放装置可以为钻井作业存放或运送该立根('540 专利，第7栏第26-40行和第8栏第30-35行)。同样装在井架上部的桥式桁架起重机将管件立根从辅助管 件吊架站上移走，并将它们运送至顶端驱动器或井架上的另一管件吊架 站。通过该辅助管件吊架站，离线立根组装过程得到优化，当桥式桁架起 重机由于其需要参与到同时进行的钻井作业而不可用时，离线立根组装过 程不会被中断。
通过对附图中所公开的各实施例进行如下的详细说明，将能 更好地理解本发明。
图2中，架空步道22支撑在钻井甲板16旁的架空步道桁架 结构24的顶端。从图5看得最清楚，该架空步道22与钻井甲板16位于 同一平面，并且靠近井架10的V型门道26。虽然示出的是单个V型门道 26，但应当了解该井架可包括多于一个的V型门道，并本发明中管件的运 送和移动可以穿过不同的V型门道。回到附图2，架空步道的在线一侧或 主要一侧具有主管件装卸站28，其包括一纵轴线或中心线基本上对准油
13井中心14的主滑架30。该滑架30上的机械驱动的推杆滑车38用于将管 件36移至油井中心14或从油井中心移开。虽然图中示出的是单个的架空 步道22和架空步道桁架结构24,应当了解也可以采用两个不同的架空步 道以及支撑结构来支撑主管件装卸站28和总体上用54表示的辅管件装卸 站，下文将进行介绍。另外，还应当理解，这两个不同的架空步道可设在 不同的方向和/或不同的高度。虽然支撑架空步道桁架结构24的柱体的基 座25 (图17)是以固定的形式示出，应当理解，当其设置成在井位之间 移动时，可在基座上采用辊子从而使得架空步道桁架结构24能与钻井甲 板16和井架IO之间形成滚动。再如图2所示，架空步道22的离线侧或辅助侧具有用于水 平存放管件的钻杆架43。如下文所述，钻杆架43设计成用于放置管件44， 使其与预备孔46大致对准。后面还要详细说明，管件44优选与预备孔46对准，从而利用水平-竖直臂48 (称之为HTV)实现管件的定向路径 移动。该钻杆架43优选存放大约5根附加管件。任何类型的管件都可以 放置在HTV48夹取的区域。优选如图5中的正视图所示，钻杆架43具有 液压操作的索引臂组件50，其朝着HTV48的夹取位置滚动管件。液压驱 动的分离器52分离出来一根将要被HTV48夹取的管件44。钻杆架43也 被做索引的或做标记，从而使得甲板起重机18的操作者可将管件放置在 匹配的位置。甲板起重机18是用于将管件放置在架空步道22的两侧(参 见附图18)。滑架30上以及钻杆架43上的管件均位于水平位置，两者相 互平行，且能穿过井架10的V型门道26。预备孔46如图10至15所示。该预备孔的深度可根据放入 其中的管件的不同长度来调节。该可变长度需要容纳，例如，钻杆(27至32英尺)和套管(37至43英尺)。还可以调节预备孔46的深度，使 得足以让管件延伸至钻井甲板16上方，以允许辅助管件拼接装置56能夹 取孔46中的管件，并与孔46上方的其它管件连接或脱开。HTV48还可 以将管件的下端放入预备孔46中，且管件在被HTV放开后可独立进入到 孔中，如图10至15所示。预备孔46可容纳如完井油管(completion tubing) 这种小管(例如，外径2 7/8英尺)，以及如套管这种大管(例如，外径9 5/8英尺)。由于不同直径的管件都要放在预备孔46中，这样，预备孔46 需要包括定心装置来对管件定心，从而保持管件的竖直中心线竖直对准于 预备孔46的竖直中心线。该定心装置可包括可冲气元件或液压径向向内 驱动元件来对管件定心。 [00641 立根臂由于套管和钻杆的长度不同，套管立根通常由两根管件构 成，而钻杆立根通常由三根管件构成。如图9所示，当操作套管时，可在 安装在桁架110上的滑车组件114上附加一套管框架122。套管框架122 在存储吊挂点连接于滑车组件114。套管框架122具有套管夹头126，其 用于夹住处于竖直位置的套管的加厚或管箍处。如图3和4所示，井架10上装有三个用于存放管件立根的 管件吊架站。第一管件或套管吊架站128 (在图4中正视出)设在比第二 管件或钻杆吊架站130低的位置。这是为了将像套管这样的较短的管件立根放置在第一管件吊架站128上，而像钻杆这样较长的立根则放置在第二 管件吊架站130上。第一和第二管件吊架站(128,130)是本领域技术人 员所熟知的传统指梁。遥控操作的套管矛或矛状器具129用来将管件夹持 到存放位置。当井架配置不包括延伸出井架IO封套或底座的套管矛或矛 状器具129时，也可以采用传统指梁，例如用在第一和第二管件吊架站 128和130上的。辅助管件吊架站60安装在第一管件吊架站128之下。 桥式桁架起重机86可在三个管件吊架站以及油井中心14的上方移动。可 将管件运进或运出三个管件吊架站。桥式起重机也在顶端驱动装置12与 三个管件吊架站之一之间运送管件。井架人工控制站室132(如图4所示) 安装在井架10上部，用来控制桥式起重机86、辅助管件吊架站60和第 一和第二管件吊架站128和130。井架人工控制站室132的控制框图如图 30A所示。钻台控制站室134安装在钻井甲板16上的井架10上(如图5 所示)，用来控制HTV48、立根臂58、预备孔46和滑架30。钻台控制站 室134的控制框图如图30B所示。图30C示出了带有中央动力单元140 的该两控制站之间的连接。如图16所示，HTV48夹取位于架空步道22离线侧管件架 43上单根管件44(下文中称为第一管件)，此时位于第一水平位置。沿垂 直于架空步道22的方向将第一管件44直线提升至第二水平位置，如图 17所示。接着在同一平面内将该管件旋转90度，从而使其在竖直方向上 对准预备孔46 (如图6 (点划线图)和图8所示)。如图19所示，HTV48 接着将该竖直管件44直线放入预备孔46中，此时，HTV48将管件44松 开。调节预备孔46以使得当管件44被松开的时候，管件44的一部分保 持在钻井甲板16上方。HTV48在竖直方向上直线上升，与此同时，转回 90度至第二水平位置(图20)。在HTV48的上述动作发生的同时，处于 靠近钻井甲板16的最低竖直位置的立根臂58 (如图2A透视图所示)，伸 至预备孔46并夹住第一管件44。如图20所示，立根臂58将管件44提 出预备孔46并将该管件保持在竖直位置。立根臂58继而縮回并移动和/ 或旋转，将竖直管件移离与预备孔46竖直对准的位置并来到辅管件操作 站58的区域，从而不会妨碍HTV48的路径。如图21所示，HTV48降到第一水平位置，在此夹取另一单 根管件70 (下文中称为第二管件)，其已经被索引臂(indexing arm)组件 50滚入适当的位置，该组件位于架空步道22离线侧的钻杆架43上。 HTV48随后直线移至第二水平位置，其类似于图20位置，并再次在同一 平面内旋转卯度对准第二管件，这样，其竖竖直地位于预备孔46上方(图 22)。 HTV48将第二管件70降到预备孔46中，并将其松开。HTV48继 而同步地直线上移并旋转90度回到第二水平位置。如图23所示，与此同 时，立根臂58伸出并移动或旋转回来，从而竖直地对准预备孔46上方的 第一管件44。立根臂58继而降低第一管件44，以使得辅助管件拼接装置 56将其与第二管件70相连(图23)。立根臂58继而将管件立根(44、 70) 提出预备孔46，并再次縮回且移动或旋转，从而将竖直立根(44、 70) 移开HTV48与预备孔46的对准线。如图24所示，当立根臂58进行这样 的操作时，HTV48同步地以上述同样的方式夹取、提升并旋转第三管件 72。 HTV48将第三管件72放入预备孔46中，并将其松开。同样地，第 三管件72的一部分保持伸出预备孔46之外，位于钻井甲板16上方。该 立根臂58将管件立根(44、 70)移回与预备孔46对准的位置，并将该立 根(44、 70)放到第三管件72上方，从而通过辅助管件拼接装置56与其相连(图25)。
0077如图26所示，立根臂58将组装好的立根(44、 70、 72)提 出预备孔46，并将其在一竖直位置上移至辅助管件吊架站60，进行放置 并将其松开。立根臂58可根据需要伸出并移动或旋转，从而在预备孔46 (如图2A点划线所示)和辅助管件吊架站60 (如图2A实线所示)之间 移动管件。然而，辅助管件吊架站60优选大约能容纳IO根管件，也可以 设计成其它容量。虽然图16至28描述的内容是有关于离线操作，而图18至 22还图示了主钻井作业或在线钻井作业如何能与这些离线操作同步进行。 如图18所示，甲板起重机18将管件20放在滑架30上，同时离线操作也 在进行当中。如图19-20所示，滑架30将管件20移过钻井甲板16并移 向油井中心14。液压驱动前管件提升器39将靠近油井中心14的管件20 端部轻微提起，在那里顶部驱动器12抓取管件(图20)。然后，顶部驱 动器12将管件20提起到竖直位置(图21)，与油井中心14对正，随后 将管件20放下(图22)。可对第二管件再次执行以上步骤，从而将第二 管件定位，通过管件拼接装置42将第二管件与伸出油井中心的管件相连。搁置上述描述只是作为图示或解释说明，在不偏离本申请范围的 情况下可以对所示系统和结构以及操作方法进行细节上的改变。
权利要求
1、一种用于钻井的系统，包括钻井平台；位于钻井甲板上的钻井结构，用于同步进行钻井作业和钻井作业的辅助操作；设在所述钻井结构中的主管件运送站，用于将管件运送到油井中心；设在所述钻井结构中的辅管件操作站，用于与所述主管件运送站的管件同步地装卸另一管件；邻近所述辅管件操作站设置的导向路径水平-竖直臂，用于将辅助管件从水平的位置引导至所述辅管件操作站上方的竖直位置。
2、 如权利要求l所述的系统，进一步包括 位于所述主管件运送站上方的第一管件吊架站； 位于所述辅管件操作站上方的辅助管件吊架站。
3、 如权利要求l所述的系统，进一步包括一顶端驱动装置。
4、 如权利要求l所述的系统，进一步包括一转盘。
5、 如权利要求l所述的系统，进一步包括用于提升的绞车。
6、 如权利要求l所述的系统，其中所述主管件运送站具有钻井开口，且 该系统进一步包括位于所述开孔径向向外位置的鼠洞；具有对准所述鼠洞以及所述钻井开孔的移动轴的主管件操作站。
7、 如权利要求6所述的系统，其中所述导向路径水平-竖直臂被控制在 不与所述主管件操作站移动轴相交的路径上。
8、 如权利要求6所述的系统，其中所述导向路径水平-竖直臂被控制在 平行于所述主管件操作站移动轴的平面内。
9、 如权利要求l所述的系统，其中所述主管件运送站具有钻井开孔，且 该系统进一步包括位于所述钻井开孔径向向外位置的鼠洞。
10、 如权利要求9所述的系统，其中所述导向路径水平-竖直臂被控制在 不与所述鼠洞和所述开孔之间连线相交的路径上。
11、 如权利要求9所述的系统，其中所述导向路径水平-竖直臂被控制在平行于所述鼠洞至所述开孔之间的连线。
12、 如权利要求l所述的系统，其中辅助管件是钻杆。
13、 如权利要求l所述的系统，其中辅助管件是套管。
14、 如权利要求l所述的系统，其中辅助管件是立管段。
15、 如权利要求l所述的系统，其中辅助管件是生产油管。
16、 如权利要求l所述的系统，其中辅助管件是尾管。
17、 一种用于钻井的系统，包括 钻井平台；位于钻井甲板上的钻井结构，用于同步进行钻井作业以及钻井作业 的辅助操作；位于所述钻井结构以运送管件的油井中心；位于所述钻井结构中的立根臂，用于与所述油井中心管件同步地装 卸管件；邻近所述立根臂设置的导向路径水平-竖直臂，用于将管件从水平的 位置引导至邻近所述立根臂的竖直的位置。
18、 一种用于钻井的系统，包括钻井平台；位于钻井平台上的钻井结构，用于同步进行钻井作业以及钻井作业 的辅助操作；设在所述钻井结构中并具有一油井中心的主管件运送站，用于将管 件运送到油井中心；设在所述钻井结构中的辅管件操作站，用于与所述主管件运送站管 件同步地装卸辅助管件；设于所述辅管件操作站的预备孔；辅管件操作装置，用于将辅助管件定位在所述预备孔上方竖直的位置；位于所述主管件运送站上方的第一管件吊架站，用于接受来自至少 所述主管件运送站的管件；位于所述辅管件操作站上方的辅助管件吊架站，用于保持来自至少所述辅管件操作站的管件。
19、 如权利要求18所述的系统，进一步包括位于所述主管件运送站上方的第二管件吊架站，用于接受来自至少 所述主管件运送站的管件。
20、 如权利要求18所述的系统，其中所述辅管件操作站包括 用于在所述预备孔和所述辅助管件吊架站之间移动所述辅助管件的立根臂。
21、 如权利要求20所述的系统，进一步包括用于在所塑辅助管件吊架站和所述主管件运送站之间移动所述辅助管件 的桥式桁架起重机。
22、 如权利要求21所述的系统，其中所述起重机交替地在所述辅助管件 吊架站与所述第一管件吊架站之间移动所述辅助管件。
23、 如权利要求20所述的系统，其中所述辅管件操作装置组装多根辅管 件操作站的管件，使得移至辅管件操作站的第一管件位于该组装管件的顶 端。
24、 一种执行钻井作业的方法，该方法通过至少部分地执行于主管件运 送站和至少部分地执行于辅管件操作站来执行，该方法包括如下步骤(a) 穿过钻井甲板上的开口钻一个孔，其中一鼠洞位于所述开口径向 向外的位置；(b) 将至少一根管件送入该孔的一部分；(c) 在执行步骤(a)和(b)的至少一部分时间内，同步地在不与开 口和鼠洞之间连线相交的导向路径上移动辅管件操作站管件，其中步骤(c) 独立地执行，并在执行步骤(a)和(b)的至少一部分相同时间内执行，以 减少从步骤(a)至(c)所需要的总体时间。
25、 如权利要求24所述的方法，其中所述移动辅助管件的步骤包括在平 行于该开口和该鼠洞之间连线的平面内移动该辅助管件。
26、 如权利要求24所述的方法，进一步包括步骤完成步骤(a)和(b)的过程中，包括如步骤(b)中所述的将管 件送入鼠洞的一部分，以及如步骤(c)中所述的移动辅助管件，使得步骤(b) 和(c)基本上同一时间完成。
27、 如权利要求25所述的方法，进一步包括钻井甲板上邻近该辅管件操 作站的辅助开孔，进一步包括步骤将辅助管件从第一水平位置引导至第二水平位置，在同一平面内将辅助管件从第二水平位置引导至对准辅助甲板开孔 的竖直位置。
28、 如权利要求27所述的方法，进一步包括步骤 将辅助管件从对准辅助开口的竖直位置向外移。
29、 如权利要求28所述的方法，进一步包括步骤 将第二辅助管件从第一水平位置引导至第二水平位置， 在同一平面内将第二辅助管件从第二水平位置引导至对准辅助开口的竖直位置。
30、 如权利要求28所述的方法，进一步包括步骤 将第一辅助管件与第二辅助管件连接； 将连接好的管件从对准辅助开孔的竖直位置向外移。
31、 如权利要求30所述的方法，进一步包括步骤将连接好的管件从辅 助开口提升至一管件吊架站。
32、 如权利要求31所述的方法，进一步包括步骤将连接好的管件从管 件吊架站移动到与钻井开口对正的竖直位置。
33、 如权利要求24所述的方法，其中该辅助管件是钻杆。
34、 如权利要求24所述的方法，其中该辅助管件是套管。
35、 如权利要求24所述的方法，其中该辅助管件是立管段。
36、 如权利要求24所述的方法，其中该辅助管件是生产油管。
37、 一种在钻井甲板上钻孔的方法，所述方法至少部分地执行于主管件 运送站，至少部分地执行于辅管件操作站，该方法包括如下步骤(a) 穿过钻井甲板上的一开口钻所述孔，其中一鼠洞位于钻井开口径 向向外的位置；(b) 将至少一根管件置入该孔的一部分内；(c) 在执行步骤(a)和(b)的至少一部分时间内，同步地在不与钻 井开口和鼠洞之间连线相交的导向路径上移动辅助管件，其中步骤(c)独立 地执行，并在执行步骤(a)和(b)的至少一部分相同时间内进行，以减少 了执行(a)至(c)步骤所需要的总体时间。
38、 如权利要求37所述的方法，其中所述移动辅助管件的步骤包括在平 行于所述钻井开口与鼠洞之间连线的平面内引导该辅助管件。
39、 一种在钻井甲板上钻孔的方法，所述方法至少部分地执行于主管件运送站，至少部分地执行于辅管件操作站，该方法包括如下步骤(a) 穿过钻井甲板上的一开口钻所述孔；(b) 沿着移动轴将管件移至所述主管件运送站开口；(c) 在执行步骤(a)和(b)的至少一部分时间内，(i)同步地在不 与该移动轴相交的导向路径上将辅助管件移至所述主管件运送站开口； (ii) 将该辅助管件提升至辅助管件吊架站，其中步骤(c)独立于步骤(a)和(b)， 并在执行步骤(a)和(b)的至少一部分相同时间内执行，以减少了执行(a) 至(c)步骤所需要的总体时间。
40、 如权利要求39所述的方法，其中所述移动辅助管件的步骤包括在 平行于所述移动轴的平面内将该辅助管件引导至钻井开口。
41、 如权利要求39所述的方法，进一步包括步骤 连接多个辅助管件；从辅管件操作站将该连接好的管件提升至辅助管件吊架站。
42、 如权利要求41所述的方法，进一步包括步骤 ,将连接好的管件从辅助管件吊架站移至对准钻井开口的竖直位置。
43、 如权利要求39所述的方法，其中该辅助管件是钻杆。
44、 如权利要求39所述的方法，其中该辅助管件是套管。
45、 如权利要求39所述的方法，其中该辅助管件是立管段。
46、 如权利要求39所述的方法，其中该辅助管件是生产油管。
全文摘要
一种用于组装和运输油田管件立根的系统和方法，其通过一钻井夹板、一井架和一旋转系统使得钻井作业同步并独立地进行。离线导向路径水平-竖直臂(“HTV”)在同一平面内将水平放置在架空步道上的管件提起，而在线钻井作业也同步进行。立根臂将该管件提出或放入可调节的预备孔中，并运送这些管件，将其存放在井架上部的辅助管件吊架站。桥式桁架起重机将管件立根从辅助管件吊架站移至顶端驱动装置或另一管件吊架站。
文档编号E21B19/00GK101611214SQ200780051486
公开日2009年12月23日 申请日期2007年11月8日 优先权日2007年2月23日
发明者哈维·马克·瑞曲, 巴里·M·斯密斯, 布兰登·威廉姆·拉金, 艾伦·奇尔德斯·马克 申请人:阿特伍德海洋有限公司;福瑞德高曼联合公司