钻机系统的制作方法

本发明总体上涉及钻机系统，特别是涉及陆基油井钻进系统。本发明还涉及立根盒模块、以及操作钻机系统的方法。

背景技术：

1、石油和天然气的生产通常需要使用钻机系统。钻机或者钻塔用于在地表下进行钻井或者钻孔，例如深度达到45.000ft(13.716m)。钻机通常包括钻进所需的所有部件，包括井架或者钻桅、钻柱以及发电设备。钻柱包括钻杆，钻杆可以是配装有称为接头的螺纹端部的管状钢制导管。图1图示了现有技术的这种钻机1’。

2、在钻进作业期间，通常需要将钻柱从钻孔中拉出或者在钻孔中更换该钻柱。这种操作通常被称为起下钻(tripping pipe)。起下钻可能在需要更换钻头时是必要的。当从钻孔中取出钻柱时，每隔例如三个钻杆或者钻铤连接件拧下一次。这种钻杆或者钻铤的在起下钻操作期间保持螺纹连接在一起的几个接头的复合物通常被称为钻机支架或者支架。支架的长度优选为90ft(27.4m)。然后将支架竖向安置在钻机上，安置在通常称为钻杆立根盒或者立根盒的平台上，立根盒通常是钻台的一部分。参考在图1中图示的现有技术系统，支架2’安置在立根盒3’上。立根盒通常由金属框架结构制成，该金属框架结构具有用以保护钻杆的端部的木材元件。处理钻杆的支架而不是拧下每根钻杆提高了起下钻作业期间的效率。

3、一旦钻完一口井，通常需要将钻机移动远离钻进侧，以便在另一位置处钻另一钻孔。这需要拆除钻柱，并且还需要拆除存储在立根盒中的所有支架。然后将单个钻杆从钻机上一根接一根地移除。该操作可能包括借助于狭窄通道将所有拆卸的钻杆水平下放在钻杆架上，并且借助于卡车上的起重机对钻杆进行装载以使钻杆移动至新的钻进位置。在新的钻进位置处，钻杆被提升至钻杆架，一根接一根地装载至钻台，并且然后重新组装形成支架，支架然后存储在立根盒中。以这种方式移动通常数百根钻杆的工作量是巨大的。

4、因此，本发明的目的是提供一种改进的钻机系统。特别地，本发明的目的是提供一种改进的钻机系统，该钻机系统允许其有效地重新定位。希望在钻机重新定位操作期间减少人力和时间。

5、从以下描述中变得显而易见的这些目的和其他目的通过根据权利要求1所述的钻机系统、根据权利要求16所述的立根盒模块以及根据权利要求17所述的用于操作钻机系统的方法得以解决。

技术实现思路

1、本发明的第一方面涉及一种钻机系统，特别是涉及一种陆基(陆上)油井钻机系统。本领域技术人员将要意识到的是：本发明的概念也可以接合海上钻机系统得以使用。钻机系统包括适于执行钻进操作的钻机模块。为此目的，钻机模块可以包括井架或者钻桅、发电设备、位于井架或者钻桅下方的钻台、以及用于钻进操作的其他设备。

2、钻机系统还包括立根盒模块，该立根盒模块适于对钻进操作期间待使用的钻杆的支架(钻杆支架)和/或钻铤的支架(钻铤支架)进行保持。例如，在起下钻作业期间，支架被安置在立根盒模块中而不是钻机模块上。因此，钻机模块优选地没有任何立根盒区域，即没有适于并且保留用于存储钻机支架的区域。立根盒模块可以包括适于将支架紧固的指板。优选地，立根盒模块包括两个或更多个支架固定指板，特别优选地五个支架固定指板。这可以提供高安全性。立根盒模块可以包括其他固定装置，其他固定装置适于将支架牢固地固定在立根盒模块中，从而允许在保持支架的同时安全地运输该立根盒模块，如将在下文中所描述的。优选地，立根盒模块可以配备有允许将支架转移的升降机。立根盒可以包括金属框架结构，其具有用以保护钻杆的端部的木材元件。

3、根据本发明，立根盒模块与钻机模块是分离的。也就是说，立根盒模块没有固定至钻机模块，并且不是钻机模块的组成部分。相反，立根盒模块可以独立于钻机模块移动。优选地，立根盒模块适于能够在立根盒模块将支架保持的同时与钻机模块分开地移动。发明人发现，通过将钻机与该钻机的立根盒结构拆分可以以有效的方式重新定位该钻机：钻机系统可以在不必拆卸支架的情况下被重新定位。相反，包括其中所存储的支架的立根盒模块可以相对于钻机模块而独立地移动。

4、由于在重新定位根据本发明的钻机系统时不再需要拆卸支架，因为消除了在这样的拆卸过程中受伤和高空作业的风险，所以提高了整体安全性。此外，节省了人力和操作时间。特别地，当钻机系统构造为丛式井钻机系统时，钻机系统能够快速移动。作为另一优点，可以有效地将立根盒模块与多个钻机模块结合使用。也就是说，立根盒模块可以供不同的钻机模块连续地或者同时地使用以进行钻进操作。

5、本文中使用的术语“模块”并不意味着各个模块必须是单个部分的部件。模块、例如钻机模块或者立根盒模块各自可以包含多个模块，多个模块可以以可拆卸的方式或者永久地连接至彼此。

6、立根盒模块优选地构造成用于独立于钻机模块而组装和/或拆卸支架。因此，保持在立根盒模块中的支架可以在不需要钻机模块的情况下进行组装。立根盒模块可以包括用于这种操作所需的工具。因此在优选实施方式中，可以独立于钻机模块而对立根盒模块进行装载，并且然后将立根盒模块移动至钻机模块以提供用于执行钻进操作的支架。类似地，在优选实施方式中，包括支架的立根盒模块可以移动远离钻机模块，以然后独立于钻机模块而拆卸保持在立根盒模块中的支架。

7、钻机模块优选地适于能够借助于钻机移动装置、优选地钻机移动台车来移动。类似地，立根盒模块优选地适于能够借助于立根盒移动装置、优选地钻机移动台车来移动。也就是说，钻机模块和/或立根盒模块的支承件能够装载在移动台车上并且能够紧固至该移动台车。这允许模块快速移动至下一钻进地点。本领域技术人员理解的是可以使用几个移动台车以用于移动各个模块。

8、钻机模块优选地包括钻机提升装置、例如提升缸，提升缸构造成提升和降低钻机模块。类似地，立根盒模块优选地包括立根盒提升装置、例如提升缸，提升缸构造成提升和降低立根盒模块。在优选实施方式中，各个模块包括位于其每个拐角处的四个提升缸。通过这些提升缸，可以提升相应的模块，使得可以将移动台车安置在模块下方，并且然后将模块降低到移动台车上。在已经将模块移动至下一钻进地点之后，模块可以借助于提升缸来提升，使得移动台车可以移动远离模块。然后，可以将模块降低在地面上。提升装置可以包括也用于移动相应模块的行进缸。

9、在优选实施方式中，钻机模块和/或立根盒模块包括适于移动相应模块的行走系统，优选地独立于另一模块。例如，立根盒模块和钻机模块两者都可以包括相应的行走系统，使得两个模块都可以彼此独立地移动。在本领域中也被称为钻机行走系统、比方说例如columbia钻机行走系统的这种行走系统是能够进行操作以用于在表面区域上运输数千吨以上的重物的机器。行走系统或者钻机行走系统可以设计为由钢铁制造的非轮式动力驱动车辆。在现有技术us2014/0262562 a1中示例性地描述了这样的行走系统。借助于行走系统，可以使立根盒模块远离或者朝向钻机模块移动，即以独立的方式移动。在另一优选实施方式中，钻机模块也设置有这样的钻机行走系统。如本领域技术人员将理解的，行走系统可以包括也在本文中描述的提升装置的元件、例如提升装置的移动缸。换言之，提升装置、比方说例如提升缸也可以被行走系统使用以移动相应的模块。

10、优选地，立根盒模块包括抓取器系统，该抓取器系统适于抓取保持在立根盒模块中的支架。进一步优选地，抓取器系统适于抓取立根盒模块中所保持的支架并且将支架转移至钻机模块，特别是在立根盒模块位于钻机模块附近时亦是如此。以相同的方式，抓取器系统优选地适于抓取钻机模块的支架并且将支架转移至立根盒模块，特别是在立根盒模块位于钻机模块附近时亦是如此。抓取器系统可以包括本领域技术人员已知的任何合适的装置，其用于例如在起下钻作业期间将来自立根盒模块的支架抓取并且移动/转移至钻机模块处的期望位置，或者将来自钻机模块的支架抓取并且移动/转移至立根盒模块处的期望位置。例如，抓取器系统可以包括钻杆处理器，或者操纵器和端部执行器。

11、特别优选地，抓取器系统适于在钻机模块与立根盒模块之间的距离在1m与50m之间、优选地在2m与40m之间、更优选地在3m与30m之间、更优选地在4m与20m之间、最优选地在5m与10m之间时，将保持在立根盒模块中的支架抓取并且转移至钻机模块。类似地，抓取器系统优选地适于在立根盒模块与钻机模块之间的距离于所述范围内时抓取钻机模块的支架。立根盒模块也可以部分地安置在钻机模块的钻台的下方，使得两个模块之间没有间隙。本领域技术人员理解的是立根盒模块不得紧靠钻机模块，但是可以位于靠近钻机模块的位置，以使得抓取器系统可以触及钻机系统，也就是使得支架可以借助于抓取器系统而被转移至钻机系统和从该钻机系统转移。这允许有效的重新定位过程，因为立根盒模块仅需要移动至靠近钻机模块的位置。优选地，立根盒模块与钻机模块之间的取向和/或距离的任何变化都由抓取器系统考虑。因此，不需要将立根盒模块安置在相对于钻机模块的特定取向和距离上。将立根盒模块相对于钻机模块安置在合适的距离范围和取向范围内就相当足够了，这在重新定位钻机系统时提高了效率。如果需要，立根盒模块还可以执行重新定位程序。借助于抓取器系统，支架可以在立根盒模块处被抓取并转移至油井中心，并且在油井中心处被抓取并转移至立根盒模块。

12、优选地，立根盒模块适于保持至少10个支架、更优选地至少50个支架、更优选地至少100个支架、最优选地至少500个支架。优选地，立根盒模块适于保持其中每个支架至少两个接头、更优选地每个支架至少三个接头的支架。因此，立根盒模块可以存储大量的支架，从而消除了在钻机模块上提供支架存储区域的需要。此外，立根盒模块可以保持许多支架以提供用于共用立根盒模块的通道的多个钻机模块的支架。在优选实施方式中，每个支架包括三个钻杆，每个钻杆的长度为30ft(9.14m)。

13、优选地，立根盒模块包括适于对支架进行支承的立根盒底板，这些支架可以竖向地安置在立根盒底板上的立根盒模块中。进一步优选地，钻机模块的钻台与立根盒底板分离。因此，用于存储支架的立根盒底板不是钻台的一部分，而是与钻台分开地设置。在优选实施方式中，钻台和立根盒底板可以在同一水平面上。在另一优选实施方式中，钻台和立根盒底板可以处于不同的高度，因为立根盒底板例如可以设置在较低的位置处。

14、本发明的另一方面涉及一种用于与钻机系统中的钻机模块结合使用的立根盒模块。立根盒模块包括用于对钻进操作期间待使用的钻杆的支架和/或钻铤的支架进行保持的装置，以及用于将支架紧固的装置。立根盒模块因此适于能够与钻机模块分开地移动。因此，可以将立根盒模块与紧固至立根盒模块的支架一起移动至另一位置或者不同的钻机模块。不需要将支架拆卸以及将单个钻杆或者钻铤卸载。优选地，立根盒模块包括如本文中所述的抓取器系统。

15、本发明的另一方面涉及一种用于操作如本文中所述的钻机系统的方法。该方法包括以下步骤：将钻杆和/或钻铤的支架安置在立根盒模块中、优选地借助于抓取器系统将钻杆和/或钻铤的支架安置在立根盒模块中；以及将立根盒模块移动远离钻机模块。因此，当重新定位钻机系统时，支架可以与立根盒模块一起移动，从而消除了将支架预先拆卸以及将单个钻杆或者钻铤卸载的需要。

16、在优选实施方式中，该方法还可以包括以下步骤：将钻机模块重新定位；使立根盒模块朝向重新定位的钻机模块移动；以及在钻进操作期间使用保持在立根盒模块中的支架。由于立根盒模块在朝向重新定位的钻机模块移动时已经配备有钻机支架，因此可以节省用于组装钻机支架的时间。因此，钻进操作可以在缩短的设置时间之后开始。

17、需要注意的是，现有技术中具有整体式且装载式立根盒的钻进平台不能移动，因为这样的结构通常太重而不能作为具有装载式支架的整体而运输。至少借助于本领域技术人员已知的任何快速钻机移动系统进行运动是不可能的。在任何情况下，由于重量重并且由于包括钻台上的立根盒的整个结构的高度，这种结构在斜坡上的运动几乎是不可能的，这可能由于重心升高而造成钻机倾覆。然而，根据本发明的钻机系统的拆分设计克服了现有技术的这些缺点。将钻机模块和立根盒模块拆分也会导致总重量的拆分，并且这两个模块可以借助快速移动系统进行处理，并且甚至可以在倾斜部上移动。这提高了钻机重新定位操作期间的效率和灵活性。