一种连续运动石油钻机及其起钻、下钻方法与流程

本发明属于石油钻机技术领域，适用于陆上及海洋钻机和修井机，涉及一种连续运动石油钻机；另外，本发明还涉及一种连续运动起钻方法以及一种连续运动下钻方法。

背景技术：

常规石油钻机在起钻过程中，当完成第一根立柱起升后，钻柱利用卡瓦支撑后停靠在固定不动的转盘上，卸开第一根立柱(通常为3根钻杆构成1根立柱)与钻柱相连的钻杆接头，将立柱排放到二层台，下放顶驱，待顶驱下放到设定高度后，顶驱吊卡打开后扣合在钻柱顶端钻杆接头下，提起钻柱，转盘上的卡瓦打开，才可以继续起升钻柱；待第二根立柱下端母接头距离转盘顶面到达设定距离后，卡瓦扣紧，顶驱将钻柱支撑在卡瓦上，卸开立柱与钻柱相连的钻杆接头，将第二根立柱排放到二层台，如此循环操作，分别完成第三根立柱、第四根立柱……的起升，直至把井筒中的钻柱全部提出井筒，完成钻柱的间断起升。

类似的，常规石油钻机在下钻过程中，当完成第一根立柱下放到井筒中后，第一根立柱利用吊卡(或卡瓦)支撑后停靠在固定不动的转盘上，然后顶驱上升到二层台，提起第二根立柱与停靠在转盘上的第一根立柱通过钻杆接头相连，上提顶驱，将吊卡从转盘井口中心移开(或卡瓦打开)，才可以继续下放由前两根立柱形成的钻柱；待第二根立柱最上端母接头距离转盘顶面到达设定距离后，将吊卡安放到转盘井口中心(或卡瓦扣紧)，顶驱将钻柱放置到吊卡(或卡瓦)上，顶驱上升到二层台，提起下第三根立柱与钻柱相连，如此循环操作，分别完成第三根立柱、第四根立柱……的下放，直至把二层台排放的立柱全部下放到井筒中，完成钻柱的间断下放。

在上述常规石油钻机起钻、下钻过程中，每一根立柱与钻柱相连钻杆接头的连接或卸开都是在钻柱停靠在转盘上后，钻柱处于静止状态下进行的，这种起下钻操作方式由于每进行一根立柱的起升或下放，钻柱的运动都会经历从静止、加速、恒速、减速到静止的运动状态变化，存在的不足包括以下几个方面：一是钻机提升机构需频繁将钻柱从零速加速到最大速度，又从最大速度减速为零，这种频繁加减速不仅影响钻机工作效率，还造成钻机能耗较大；二是在起钻过程中，由于起钻最大速度过快，钻柱对钻井液的抽汲导致井筒压力波动，进而影响井筒筒壁的稳定性；三是在下钻过程中，由于下钻最大速度过快，井底压力波动大，容易导致裂缝性地层井底裸眼井段发生井漏、井塌事故。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种连续运动石油钻机，解决了现有技术起下钻过程中频繁加减速，不仅影响钻机工作效率，还造成钻机能耗较大；起钻最大速度过快引起钻柱对钻井液的抽汲导致井筒压力波动，进而影响井筒筒壁的稳定性；下钻过程中，由于下钻最大速度过快，井底压力波动大，容易导致裂缝性地层井底裸眼井段发生井漏、井塌的问题。

本发明的第二目的是提供一种连续运动起钻方法。

本发明的第三目的是提供一种连续运动下钻方法。

本发明所采用的技术方案是，

一种连续运动石油钻机，在井架中设置有两套提升机构，一套是顶驱提升机构，另一套是转盘提升机构，该转盘提升机构的结构是，在井架内左右两侧分别设置有一套转盘导轨，每侧的一套转盘导轨中配置有一个滑车，每侧的滑车下端连接有一个油缸；每侧的滑车中绕有转盘钢丝绳，转盘钢丝绳一端固定在底座上，转盘钢丝绳另一端绕过转盘梁上的滑轮组或直接固定在转盘梁上，转盘梁左右两边分别设置有一个转盘梁导向机构，两侧的转盘梁导向机构分别套装在各自一侧的转盘导轨中；转盘梁中心部位安装有转盘及其卡瓦。

本发明所采用的第二技术方案是，

一种连续运动起钻方法，利用上述的连续运动石油钻机，按照以下步骤实施：

步骤1，起钻初始位置，转盘顶面与钻台面平齐，转盘处于静止状态，顶驱通过吊卡提升钻柱以恒速上升，顶驱将第一根立柱从井眼中提出后，立柱下的钻杆接头顶面距转盘顶面约为预设值L时，转盘提升机构提升转盘以恒速向上运动；

步骤2，在转盘与顶驱速度相同时，转盘上的卡瓦卡持钻柱，此时顶驱减速上升，使钻柱重量全部施加到转盘上，转盘提升钻柱以恒速向上运动，实现钻柱由顶驱提升到转盘提升的交接；

步骤3，转盘旁边的上卸扣工具卸开立柱与钻柱之间的钻杆接头，转盘旁边的机械手将立柱推向立根盒方向；

步骤4，顶驱提升立柱减速为零并将立柱下放到钻台面，然后利用井架工或人工将立柱排放到二层台；

步骤5，顶驱下降到预定高度，待转盘提升的钻柱顶端钻杆接头已在顶驱吊卡顶面之上时，顶驱开始以与转盘相同速度向上运动；

步骤6，在顶驱与转盘以恒速向上移动过程中，顶驱吊卡打开并卡持钻柱顶端钻杆接头下，然后，转盘提升机构减速，使钻柱重量全部施加到顶驱吊卡上，顶驱提升钻柱以恒速向上运动，实现钻柱由转盘提升到顶驱提升的交接；

步骤7，交接后，转盘上的卡瓦打开，转盘减速为零，顶驱提升钻柱上升；

步骤8，转盘逐渐下降到钻台面，转盘顶面与钻台面平齐，顶驱通过吊卡提升钻柱以恒速上升；

待顶驱将第二根立柱从井眼中提出后，立柱下的钻杆接头顶面距转盘面为预设值L，重复步骤1～步骤8，循环运行，实现连续运动的起钻操作。

本发明所采用的第三技术方案是，

一种连续运动下钻方法，利用上述的连续运动石油钻机，按照以下步骤实施：

步骤1，下钻初始位置，转盘顶面与钻台面平齐，转盘处于静止状态，顶驱通过吊卡提升钻柱以恒速下降，待顶驱带动钻柱运动到接近第一根立柱的长度的一半的行程时，转盘上升到转盘面距顶驱所提升钻柱顶端钻杆接头顶面之下预设值L位置；

步骤2，转盘开始以与顶驱相同速度向下运动，在运动过程中，转盘上的卡瓦卡持钻柱，此时顶驱加速，使钻柱重量全部施加到转盘上，转盘提升钻柱以恒速向下运动，实现钻柱由顶驱提升下放到转盘提升下放的交接；

步骤3，交接后，顶驱上的吊卡打开并脱离钻柱顶端钻杆接头；

步骤4，顶驱减速为零；

步骤5，在转盘提升钻柱以恒速向下运动过程中，顶驱上升到二层台，顶驱接住井架工或人工递送的下一根立柱；

步骤6，顶驱上提立柱到预定高度；

步骤7，待顶驱悬提立柱下端钻杆接头高过转盘支撑的钻柱钻杆接头顶面时，顶驱以恒速向下运动，立柱与钻柱对正；

步骤8，转盘旁边的上卸扣工具上紧立柱与钻柱之间的钻杆接头，转盘加速下降，使钻柱重量全部施加到顶驱吊卡上，顶驱提升钻柱以恒速向下运动，实现钻柱由转盘提升下放到顶驱提升下放的交接；

步骤9，交接后，转盘减速为零并下降到钻台面；

重复步骤1～步骤9，循环运行，实现连续运动下钻操作。

本发明的有益效果是，通过在钻柱运动过程中进行立柱与钻柱的连接或卸开，实现连续运动起钻与下钻，达到提高钻机工作效率，大幅降低能耗，提高钻井过程中井眼稳定性，其优点和效果具体包括：

1)大幅降低能耗。起下钻时不需频繁反复地对钻柱进行加减速，提升工具、设备所需要的最大载荷、系统动力消耗、设备磨损均得以降低，动力消耗减少。常规方式完成7000m钻柱起钻作业需要反复对钻柱加减速250次(3单根立柱)，采用本发明方法仅需对钻柱加减速1次。

2)实现连续运动起下钻，减少上卸扣停顿时间，大幅提高钻机工作效率。据统计，在新疆塔里木山前地区进行深井、超深井，起下钻速度平均为450m/h；试用本发明方法采用连续运动起下钻，起下钻速度约为0.25m/s，起下钻速度为900m/h，起下钻速度提高了1倍。通过后续技术优化后，还可以在此基础上进一步提高起下钻速度，从而大幅提高钻机工作效率。

3)提高钻井过程中井眼的稳定性。采用本发明方法连续运动起下钻，起下钻速度接近恒速，在相同的起下钻效率下，本发明方法最大起下钻速度不到常规钻机最大起下钻速度的五分之一，钻柱速度减小，对井底压力波动影响小，有效提高了钻井过程中井眼稳定性，防止导致裂缝性地层井底裸眼井段发生井漏、井塌事故。

附图说明

图1为本发明装置的正面结构简图；

图2为本发明装置的侧面结构简图；

图3为本发明方法在起钻过程中的操作状态简图一；

图4为本发明方法在起钻过程中的操作状态简图二；

图5为本发明方法在下钻过程中的操作状态简图一；

图6为本发明方法在下钻过程中的操作状态简图二。

图中，1.底座；2.井架；3.转盘梁；4.转盘；5.卡瓦；6.油缸；7.顶驱；8.转盘钢丝绳；9.转盘导轨；10.大钩；11.游车；12.绞车；13.钻柱；14.立柱；15.转盘梁导向机构；16.滑车；17.井架工；18.二层台；19.天车；20.吊卡。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

常规石油钻机的转盘及转盘梁安装在底座上，不能沿竖直井口中心线上下移动。本发明就是在常规石油钻机基础上设计增加一套针对转盘4的转盘提升机构。

参照图1、图2，本发明连续运动石油钻机的结构是，井架2安装在钻机的底座1上，在井架2中设置有两套提升机构，一套是针对顶驱7的顶驱提升机构，另一套是针对转盘4的转盘提升机构，

其中顶驱提升机构与常规石油钻机的顶驱提升机构在结构上相同，包括安装在井架2中心顶端的天车19，从绞车12引出的顶驱钢丝绳绕过天车19，顶驱钢丝绳另一端向下与游车11连接，游车11通过大钩10与顶驱7连接，顶驱7下端设置有吊卡20；

参照图2，转盘提升机构的结构是，在井架2内左右两侧分别设置有一套转盘导轨9，每侧的一套转盘导轨9中配置有一个滑车16，每侧的滑车16下端连接有一个油缸6，每个油缸6推动该侧的滑车16沿转盘导轨9上下移动；每侧的滑车16中绕有转盘钢丝绳8，转盘钢丝绳8一端固定在底座1上，转盘钢丝绳8另一端绕过转盘梁3上的滑轮组或直接固定在转盘梁3上，转盘梁3左右两边分别设置有一个转盘梁导向机构15，两侧的转盘梁导向机构15分别套装在各自一侧的转盘导轨9中，转盘梁3通过转盘梁导向机构15的导向能够沿转盘导轨9上下移动；转盘梁3中心部位安装有转盘4及其卡瓦5，与顶驱7上的吊卡20、二层台18上的井架工17以及机械手协调配合，共同完成钻柱13或立柱14的起钻、下钻工作。

转盘提升机构的提升原理是，两侧的油缸6活塞杆同步伸出推动两个滑车16同步向上运动，每个滑车16带动各自的转盘钢丝绳8向上抬升，由于转盘钢丝绳8一端固定在底座1上，因此转盘钢丝绳8另一端会提升转盘梁3向上平移，从而带动转盘4及其卡瓦5上升；转盘4及其卡瓦5需要下降时，两侧的油缸6的活塞杆同步缩回，转盘梁3在自重作用下下降。

本发明的连续运动起钻方法，参照图3、图4，利用前述的装置，按照以下步骤实施：

步骤1，起钻初始位置，转盘4顶面与钻台面平齐，转盘4处于静止状态，顶驱7通过吊卡20提升钻柱13以恒速上升，顶驱7将第一根立柱14从井眼中提出后，立柱14下的钻杆接头顶面距转盘4顶面约为预设值L时(此距离保证顶驱吊卡能够卡持在钻柱顶端钻杆接头下，以便提升钻柱)，转盘提升机构提升转盘4以恒速向上运动；

步骤2，在转盘4与顶驱7速度相同时，转盘4上的卡瓦5卡持钻柱13，此时顶驱7减速上升，使钻柱13重量全部施加到转盘4上，转盘4提升钻柱13以恒速向上运动，实现钻柱13由顶驱7提升到转盘4提升的交接；

步骤3，转盘4旁边的上卸扣工具卸开立柱14与钻柱13之间的钻杆接头，转盘4旁边的机械手将立柱14推向立根盒方向；

步骤4，顶驱7提升立柱14减速为零并将立柱14下放到钻台面，然后利用井架工17或人工将立柱14排放到二层台18；

步骤5，顶驱7下降到预定高度，待转盘4提升的钻柱13顶端钻杆接头已在顶驱7吊卡20顶面之上时，顶驱7开始以与转盘4相同速度向上运动；

步骤6，在顶驱7与转盘4以恒速向上移动过程中，顶驱7吊卡20打开并卡持钻柱13顶端钻杆接头下，然后，转盘提升机构减速，使钻柱13重量全部施加到顶驱7吊卡20上，顶驱7提升钻柱13以恒速向上运动，实现钻柱13由转盘4提升到顶驱7提升的交接；

步骤7，交接后，转盘4上的卡瓦5打开，转盘4减速为零，顶驱7提升钻柱13上升；

步骤8，转盘4逐渐下降到钻台面，转盘4顶面与钻台面平齐，顶驱7通过吊卡20提升钻柱13以恒速上升；

待顶驱7将第二根立柱14从井眼中提出后，立柱14下的钻杆接头顶面距转盘4面约为预设值L，重复步骤1～步骤8，循环运行，实现连续运动的起钻操作。

本发明的连续运动下钻方法，参照图5、图6，利用前述的装置，按照以下步骤实施：

步骤1，下钻初始位置，转盘4顶面与钻台面平齐，转盘4处于静止状态，顶驱7通过吊卡20提升钻柱13以恒速下降，待顶驱7带动钻柱13运动到接近第一根立柱14的长度的一半的行程时，转盘4上升到转盘4面距顶驱7所提升钻柱13顶端钻杆接头顶面之下预设值L位置；

步骤2，转盘4开始以与顶驱7相同速度向下运动，在运动过程中，转盘4上的卡瓦5卡持钻柱13，此时顶驱7加速，使钻柱13重量全部施加到转盘4上，转盘4提升钻柱13以恒速向下运动，实现钻柱13由顶驱7提升下放到转盘4提升下放的交接；

步骤3，交接后，顶驱7上的吊卡20打开并脱离钻柱13顶端钻杆接头；

步骤4，顶驱7减速为零；

步骤5，在转盘4提升钻柱13以恒速向下运动过程中，顶驱7上升到二层台18，顶驱7接住井架工17或人工递送的下一根立柱14；

步骤6，顶驱7上提立柱14到预定高度；

步骤7，待顶驱7悬提立柱14下端钻杆接头高过转盘4支撑的钻柱13钻杆接头顶面时，顶驱7以恒速向下运动，立柱14与钻柱13对正；

步骤8，转盘4旁边的上卸扣工具上紧立柱14与钻柱13之间的钻杆接头，转盘4加速下降，使钻柱13重量全部施加到顶驱7吊卡20上，顶驱7提升钻柱13以恒速向下运动，实现钻柱13由转盘4提升下放到顶驱7提升下放的交接；

步骤9，交接后，转盘4减速为零并下降到钻台面；

重复步骤1～步骤9，循环运行，实现连续运动下钻操作。

通过两套提升系统的交替起升或下放实现钻柱的连续起升与下放，本发明同样可实现套管、油管的连续起升与下放。本发明为实现钻机管柱的自动化起升与下放提供了前提条件，另外还可在配套其他相应设备后实现连续循环钻井。

本发明的钻杆接头上卸扣及管柱操作可以使用现有所有型号的石油钻机上卸扣工具及管柱处理系统。