刚性钻柱起下钻的方法及设备的制作方法

专利名称:刚性钻柱起下钻的方法及设备的制作方法
发明所属的技术领域：
钻井工程中，经常需要进行被称为起下钻的作业，其内容是，将钻柱从井内提升到地面，并移送到存放钻柱的地方放置，以及将被放置的钻柱移送到井口，并放入井内。本发明即是关于这种作业的方法及实施该方法的设备。
发明的技术背景众所周知，目前在钻井工程中使用着两种钻柱刚性钻柱及柔性钻柱，应用最多的是刚性钻柱，这种钻柱由许多条两端带有螺纹的钢管(或其它金属管，例如铝合金管)首尾依次连接而成。其中主要是许多条被称为钻杆的管子，钻杆的两端有钻杆接头，有的钻杆接头上刻有一条环向的凹槽，在工作的时候，由于钻柱要带动装于其下端的钻头破碎井底岩石，同时其内部还要向井底输送高压的洗井液，因此，钻柱需要具有很高的强度。前述由金属作成的钻柱良好地满足了钻井工程的要求，因此应用十分普遍。但是，当需要更换钻头或因其他原因而必需将钻柱起升至地面的时候，现有的技术就需要将钻柱每提升出井口一小段，就将它拆卸，并移离井口放置。每段被拆卸下的钻柱小段仅包含2至3条钻杆，称为立根，整个起钻作业就需要将全部钻柱逐段拆卸为立根并移离井口。相反，在将钻柱重新下入井内时，又必须将全部立根逐一从放置处移至井口，重新联接，再放入井内。因此，这种方式的起下钻作业要花费大量的时间、人工及动力。在钻深井、钻定向井或钻遇复杂地层而必需多次起下钻的情况下，这种耗费十分巨大。特别是对于海上钻井，由于海上作业的时间相关成本很高，起下钻的耗费更是建井成本的一项沉重负担。为了减少这种消耗，钻井工程人员常常不得不使用钻进速度不很高但却较为耐磨的钻头，并且控制提高钻进速度的钻井参数以尽量增加钻头的钻进速度，这样做的结果，虽然在一定程度上减少了起下钻的次数及所费时间，但由于钻进速度的降低而使减少起下钻次数的效果变得微小了。
与刚性钻柱不同，柔性钻柱是一条以一串松散地组合在一起的，用刚性材料(例如钢)作成的环状骨骼元件包覆以柔性材料(如夹有纤维的橡胶)所作成的管子。英国专利1570437号所说明的结构是其实例之一种。这种管子的柔性足以使之可以绕在一个具有适当直径的滚筒上。所以利用专用的设备和技术，可以将整条或仅分为几大段的柔性钻柱连续地从滚筒放入井内，或连续地从井内起出来并缠绕在滚筒上。但是由于柔性钻柱的主要受力元件-刚性材料作成的环状骨骼元件-是不连续的，因此，它不能从地面向钻头传递扭矩，并且在壁厚与刚性钻柱相当时也不可能承受刚性钻柱所能承受的工作负荷。因此，柔性钻柱的壁厚较大，内径较小，输送洗井液所消费的能量也较多。
发明的目的本发明的目的，在于改进刚性钻柱的起下钻方法及设备，以使钻柱在起下钻过程中不必拆散为立根，从而节省刚性钻柱在起下钻过程中反复拆卸和联接的时间、人工及动力消耗。
发明的实质及内容为了达到前段所说的目的，本发明提供了一种新的、用于刚性钻柱的起下钻方法。该方法的实质在于利用刚性钻柱的弹性。即，在起钻的时候，并不将钻柱拆卸为立根，而是使钻柱在其弹性范围内弯曲并盘绕起来放置;而在下钻的时候，解除迫使该钻柱弯曲的约束，使其恢复原状，并放入井内。
上述方法的基本原理是刚性钻柱实际上也是可弯曲的，只要弯曲的曲率半径足够地大，使得钻柱在起下钻过程中被弯曲而产生的应力不大于该种钻柱材料的许用应力即可。
钻柱受到弯曲而产生的应力，大致上可以按下列众所周知的材料力学公式计算σ＝ (ED)/(2ρ)σ-弯曲所产生的最大应力E-钻柱材料的弹性模量D-钻柱外径ρ-钻柱弯曲时其中心线的曲率半径例如将外径127毫米的钢钻杆照ρ＝42米的半径弯曲时，最大弯曲应力大约为σ＝30.2公斤/毫米2，这一数值远小于普通钻杆钢材的弹性极限。
为实施上述起下钻方法，本发明提供了实施该方法的设备及操作方法，该设备包括轨道，用于放置从井内提升到地面的钻柱，该轨道的一端位于井口上方，且具有光滑弯曲的曲线形状;活动支座，用以夹持被提升到地面的钻柱，使之沿轨道运动及弯曲，该活动支座具有可夹持钻柱的夹持部分及沿轨道运动的行走部分;钻柱升降机，用以将钻柱提升出井口并向轨道内推进，或将钻柱从轨道内牵引出来并放入井内。
使用该设备的起下钻方法是在起钻的时候，用钻柱升降机将钻柱向地面提升，并每隔一段长度将一个活动支座夹持在钻柱上，该钻柱连同活动支座一起被推入轨道，并沿轨道运动及弯曲，起钻完成后，进入轨道的钻柱或钻柱的一部分连同活动支座就放置在轨道上，在下钻的时候，该被置于轨道上的钻柱或钻柱的一部分被牵引至井口，逐一解除夹持该钻柱的活动支座后，用钻柱升降机放入井内。
本发明提供了一种用于上述操作的钻柱升降机。该钻柱升降机包括可以作上下运动的至少两个横梁，每一横梁上开有窗口。
窗口内有可以分开及闭合的托瓦。闭合的托瓦内表面可与钻柱在起下钻时被承托部位配合，托瓦分开时，可以让钻柱从窗口内通过，在起钻作业中，在有两条横梁的情况下，两条横梁之一的托瓦闭合提升钻柱时，另一横梁则分开托瓦下降到另一钻杆接头的下方，然后闭合托瓦上升并承托住该钻杆接头提升钻柱;而原来提升钻柱的横梁则分开推瓦下降，并在承托住再一个钻杆接头之后再次提升钻柱。两条横梁交替进行上述操作，即可将钻柱提升出地面。在下钻作业中，两条横梁之一承托住钻柱下放时，另一横梁则分开托瓦上升到另一钻杆接头的下方，然后闭合托瓦并承托住钻柱重量下行，而原来承托并下放钻柱的横梁则分开托瓦上升，并在再次承托住再一个钻杆接头后回降。两条横梁交替进行前述操作，即可将钻柱放入井内。
由于前述实施本发明起下钻方法的设备中，轨道是通过活动支座来约束钻柱的运动及其变形的，因此，该轨道的约束特性取决于这样一条曲线即，活动支座的夹持部分的中心，在该活动支座沿轨道运动时所划越的轨迹。该轨迹即称为该轨道的特征曲线。
本发明提供了一种具有下述形状的轨道，该轨道包括使钻柱缠绕成螺旋形而放置的部份及使被提升出井口的钻柱平滑地弯曲并进入该螺旋形部分的过渡部份，即，该轨道的特征曲线包括一段围绕一垂直轴线的螺旋形曲线，及始于井口上方，沿井身方向延伸并光滑弯曲到和螺旋线光滑连接的过渡曲线。特别地，该过渡曲线可以基本上由数段平面曲线光滑连接而成。
本发明提供了一种管状的轨道。这种轨道是圆形的管道，其内径在轨道全长为定值，并以圆管的内表面作轨道的约束面，支承活动支座在该管状轨道内运动。
本发明提供了一种活动支座，该活动支座包括夹持部分和行走部分。
行走部分包括轮子。夹持部分包括一对支架，支架的内侧有一个与钻柱外表面配合的凹形夹持面，支架的外侧装有可转动的轮子。轮子的外沿到活动支座中心的距离大致等于管状轨道的内半径，当活动支座夹持在钻柱上进入轨道后，轮子就支撑住管形轨道的内壁，而夹持面则由于管状轨道的约束而夹持住钻柱。
本发明提供了一种适用于前述支座的活动支座上卸装置。工作时，该装置被放置于轨道的入口处。该装置有一对导瓦，该导瓦具有内凹的柱形内表面，当一对导瓦闭合时，其内表面即构成一段约束前述活动支座运动的管形通道，并和轨道入口相连通。在起钻操作中，先将活动支座上卸装置的导瓦分开，将一副活动支座的两个支架分别置入两个导瓦中，使活动支座的夹持面朝向钻柱，闭合导瓦，则活动支座即夹持住钻柱并随同钻柱从导瓦中进入轨道。在下钻操作中，分开活动支座上卸装置的导瓦，则当活动支座被钻柱带出轨道后，该活动支座由于失去径向约束，自然从钻柱上松脱，随即可将该活动支座从轨道入口取走。
在下钻开始的一段时间内，由于井内钻柱的重量尚不足以将轨道内的钻柱向井内牵引，这时就需要用人为的力量将轨道内的钻柱牵引出来。为此，本发明提供了一种方法，即在升降机承托钻柱的部分设置向钻柱传递向下推力的机构，在升降机承托钻柱的部分向下运动时，通过该机构利用升降机的力量将轨道内的钻柱向井内牵引。
本发明提供了一种实施这一方法的机构，称为钻杆拔，该机构包括一个壳体，该壳体的中心有通孔，该通孔的直径足以让钻柱或钻柱的一部分从中通过，通孔内装有弹簧及棘爪。工作时钻杆拔被安装在升降机的横梁上，棘爪的推力端朝向下方，钻柱从中通过，当钻柱拔上升越过一个钻杆接头之后，棘爪即在弹簧推动下顶住该钻杆接头的上端，下降横梁，则该钻杆拔将钻柱向井内牵引。
在应用前述方法起下钻时，随着钻柱沿轨道缠绕圈数的增加，阻碍钻柱沿轨道运动的摩擦阻力也急剧地增加。当钻柱长达一个被称为限制长度的长度时，摩擦力可使钻柱不能或不适于只从轨道的一端被驱动。为了在钻井深度-基本上也就是钻柱长度-大于前述限制长度时，完成起下钻作业，本发明提供了一种解决方法，即，利用包括一条以上轨道的组合轨道，在起钻的时候，当进入一条轨道的钻柱长度尚未达到前述限制长度时，即将该段钻柱与后续的钻柱拆开，然后将后续的钻柱导入另一条轨道。如此，可将钻柱依次分拆为数段钻柱段，并依次导入不同的轨道。在下钻的时候，将一条轨道内的钻柱段放入井内后，将其上端与另一轨道内的钻柱段联接，并继续将后一钻柱段放入井内。如此，将各轨道内的钻柱段依次联接及依次放入井内。
为了实施这一方法，本发明提供了一种组合轨道及一种联接机构。该组合轨道包括至少一条管状的引导轨道及一条以上的管状轨道。
该引导轨道的中心线大致为S形，其中一端的中心固定(称为固定端)，另一端则可绕固定端的中心旋转(称为旋转端)，各条轨道的内径与引导轨道的内径相等，且均有一端(称为入口端)的中心位于引导轨道旋转端中心旋转而成的圆周上，引导轨道可以旋转到对正前述任一轨道的入口端的位置，引导轨道与任一轨道邻接时，二者的中心线在邻接处大体相切。
前述引导轨道可以安装在井口上方组合轨道的入口端，也可以安装在组合轨道的中间，在后面一种情形中，从井口上方的组合轨道入口，直到引导轨道之间，可以只用一条公用轨道。
该联接机构用于将各段钻柱导入各别的轨道，或将各别轨道内的钻柱段牵引出来时，钻柱段与段之间的联接或分离，该机构包括一个母接头及一个公接头。该母接头的一端具有与钻柱段配合的联接部份，另一端内凹，并在凹陷端的内侧具有台阶。该公接头的一端具有与钻柱段配合的联接部份，另一端可以插入母接头的凹陷内与其连接。
该公接头壳体上开有窗口，公接头体内装有卡爪、顶杆、滑块、弹簧及单向离合器;卡爪具有凸起和斜面，该凸起可以通过公接头壳体上的窗口伸出公接头体外或缩入公接头体内;滑块上具有斜面和侧面倾斜的牙嵌，该滑块的斜面和卡爪的斜面配合;顶杆的一端伸出公接头外，该顶杆上装有弹簧，用外力可以将顶杆压入公接头体内，取消外力后，弹簧使顶杆重新伸出公接头体外，该顶杆的一部分具有螺纹;单向离合器包括一个主动件和一个从动件，当主动件作往返转动的时候，从动件只能在一个方向上随主动件转动;主动件具有与顶杆的螺纹配合的母螺纹，安装在顶杆上;顶杆作轴向运动时，其螺纹就使该主动件转动;从动件具有侧面倾斜的牙嵌，该牙嵌与滑块上的牙嵌啮合。
上述公接头的卡爪具有两种稳定状态凸起伸出公接头体的状态及缩入公接头体内的状态。在滑块上的牙嵌和单向离合器的牙嵌处于分开位置的时候，滑块上的斜面约束卡爪缩入公接头体内，这时若将顶杆推入公接头体内，则顶杆上的螺纹驱动单向离合器的主动件转过一个角度，该主动件亦带动从动件转过一个角度，滑块上的牙嵌即落入该单向离合器的从动件的牙嵌内，滑块于是释放卡爪，卡爪即在弹簧推动下，将凸起伸出接头体外;放开顶杆，该顶杆则在弹簧作用下重新伸出公接头体外，顶杆上的螺纹将带动单向离合器的主动件作反向转动，但是从动件不能反转而保持原有位置，从而滑块及卡爪亦保持已有的位置。如果将顶杆再向接头体内推动一次，则单向离合器的主动件及从动件将再随之转过一个角度，滑块和从动件上的牙嵌将再次被分开，滑块上的斜面即约束卡爪缩回公接头体内;放开顶杆，顶杆又再伸出公接头体外，而卡爪仍然保持缩回状态，由此可见，每推动上述公接头的顶杆一次，就可以使公接头的卡爪从一种状态改换到另一种状态。
在需要联接前述公接头及母接头时，先使该公接头的卡爪处于缩回状态，再将公接头插入母接头内，公接头的顶杆被压入公接头内，卡爪即伸出公接头体外，牵引公接头，卡爪则抓住母接头内的台阶而使母接头随公接头一同运动。如果要分开该公接头及母接头，则只须将公接头再向母接头顶推一次，则顶杆再次被推入公接头体内，卡爪即改换到缩回状态，于是公接头可以从母接头内拔出。
在需要将钻柱分解为数个钻柱分段，分别导入各别轨道的起下钻作业中，可以采用以下操作在起钻的时候，将引导轨道的旋转端转到对正一条轨道的位置，提升钻柱，在钻柱上陆续装配上活动支座并推入组合轨道内，使钻柱通过引导轨道进入所选定的轨道内;在该进入轨道的钻柱段的下端被从井口提升出来之后，即将该钻柱段与后续钻柱分拆开来，并在该钻柱段及后续钻柱的邻接端，分别装上联接装置的公接头与母接头。继续提升钻柱，直到利用后续钻柱将已进入轨道的钻柱段完全推过引导轨道为止;将后续钻柱再作一次短促的往复推送，使牵引接头的公接头及母接头分离;下放后续钻柱，直到后续钻柱的上端完全退出引导轨道为止;将引导轨道的旋转端对正另一条轨道，重复前述操作，可使另一钻柱段进入该轨道内;如此重复操作，可将各钻柱段依次导入各别的轨道。
在下钻的时候，所有装于各钻柱段的公接头的卡爪处于缩回的状态。首先将最下段钻柱牵引入井，待其上端完全退出引导轨道之后，将引导轨道的旋转端对正另一置有钻柱段的轨道，重新提升已入井的钻柱，使其上端穿越引导轨道而进入该轨道内，直到其上端的公接头(或母接头)与该轨道内钻柱段上的母接头(或公接头)结合为止;重新下放已入井的钻柱，则该轨道内的钻柱段随之被牵引出该轨道;待联接前述两段钻柱段的牵引接头完全离开轨道之后，将该牵引接头从钻柱上拆卸;联接前述两段钻柱并下放入井，直到后一钻柱段的上端完全退出引导轨道为止;使引导轨道的旋转端对正另一置有钻柱段的轨道，重复前述操作，将该轨道内的钻柱段再牵引出来，与已下井钻柱联接并下入井内;如此重复操作，可将各轨道内的钻柱依次牵引出来并下入井内。
发明的经济价值按照本发明，在刚性钻柱的起下钻操作中，无需将钻柱拆卸成许多立根，也无需将许多立根再逐一联成钻柱，这就使得起下钻的时间减少到了很少的程度，从而节省了钻井工程的时间及成本。特别是对于时间相关成本极昂贵的海上钻井作业，这一节省的价值是巨大的。
实例和附图以下将用一种体现本发明的实例图1包括其局部放大图，表示出本发明的原理及基本操作法。
图2表示出一种实施本发明的轨道的形状。
图3表示出一种采用本发明的海上半潜式钻井平台。
图4是图3A局部的放大图，表示出管状轨道的结构。
图5包括其C-C剖视图及局部D的放大图，表示出活动支座的结构。
图6a及图6b表示出一种具有两条横梁的钻柱升降机连同活动支座上卸装置的配置。
图7a及图7b连同E-E剖视及E′-E′剖视，表示出活动支座上卸装置的结构及工作方式。
图8表示出一种钻柱分段接头的结构。
图9包括图9a及F-F剖面图，表示出一种联接装置的结构。
图10a及图10b是图3的B向局部剖视图，表示出引导轨道的结构及工作方式。
图11a及图11b表示出钻杆拔及其工作方式。
如图1及详图所示，按照本发明，起钻操作中钻柱(1)被钻柱升降机(2)提升出井口W之后，每隔一段长度即用一活动支座(3)(图中所示为示意图)夹持住，并将该钻柱沿轨道(4)推动，钻柱(1)即按照轨道(4)的形状弯曲，轨道(4)包括Q点以后的螺旋形部份及从轨道入口M到Q之间的过度部分;轨道(4)上每一点的曲率半径都大到足以使被弯曲的钻柱(1)内的应力不致超过钻柱材料的许用应力。起钻完成后，钻柱(1)连同活动支座(3)被放在轨道(4)上。在下钻时，放置于轨道上的钻柱(1)亦可以被向井口W牵引，各活动支座在离开轨道入口M后，即被从钻柱上卸下，而钻柱则由钻柱升降机(2)放入井内。
图2表示出了一种表征轨道形状特征的轨道特征曲线，该轨道特征曲线具有Q点以后的螺旋形缠绕部分及从轨道入口M到Q点之间的过渡部份。缠绕部份的螺旋柱面半径为R;而过渡部份则由三段平面圆弧MN，NP及PQ光滑地连接而成，该三段圆弧的半径分别为R1，R2及R3;R、R1、R2及R3均足够地大，使钻柱按该特征曲线弯曲时，所产生的应力不大于钻柱材料的许用应力。
图3表示出了一种采用本发明的海上半潜式钻井平台，该平台的上部船体C具有圆柱形的外侧面。该平台还具有一套组合轨道，该组合轨道的螺旋形部份就安装在上部船体的圆柱形侧面上，在箭头B所指的位置，有一段S形的引导轨道(4·2)，该引导轨道的结构显示在图(10a)及图(10b)中。从该组合轨道的入口到引导轨道之间的过渡部分只有一条轨道(4·1);而在引导轨道之后的缠绕部分则是包括数条平行轨道(4·3)的轨道束。
图4是图3中的轨道束局部A的放大图。从中可以看到，前述半潜式钻井平台的轨道具有管状的结构。管状轨道的内表面是轨道的约束面，活动支座(3)夹持住钻柱(1)在该轨道内部行走。
图5表示了一副活动支座的两个支架(3·1)，支架上有轮(3·2)，从剖视C-O-C中可以见到，该活动支座在工作时夹持住钻杆接头(5)。局部D的详图显示出，活动支座的支架依靠杠杆(3·3)固定其在钻柱上的位置，该杠杆用销(3·4)安装在支架(3·1)上，杠杆(3·3)的一端被钻杆接头(5)的上端面顶住，而另一端上的凸起则落入钻杆接头的凹槽中。
图6a表示出一种钻柱升降机，该升降机具有两条横梁横梁(2·1)及横梁(2·2)。两条横梁的中部均开有窗口，窗口内有托瓦(2·3)及(2·4)，钻柱从窗口中穿过。两条横梁均可沿立柱(2·5)作上下垂直运动。在起钻时如图6a所示，横梁(2·1)闭合托瓦(2·3)托住钻杆接头G上升，则横梁(2·2)分开托瓦(2·4)下降。如图6b所示，当横梁(2·2)下降到钻杆接头J的下方时，即闭合托瓦承托住钻柱上升。此时，横梁(2·1)则分开托瓦下降，准备承托钻杆接头H作下一提升行程。横梁(2·1)与横梁(2·2)不断交替承托住钻杆接头提升钻柱，即可将钻柱从井内提升至地面。在下钻的时候，如图6a所示，横梁(2·1)承托住钻杆接头G下降时，横梁(2·2)则分开托瓦上升，并在到达钻杆接头H下方时，如图6b所示，闭合托瓦承托住该钻杆接头下降，此时，横梁(2·1)则分开托瓦越过原被承托的钻杆接头，准备承托其上方的另一钻杆接头作另一下放行程;横梁(2·1)及横梁(2·2)不断交替承托住钻杆接头下放钻柱，可将钻柱从地面放入井内。
该升降机的两条横梁还可以同时作提升或下放的运动，以便在某些其他操作中承托超过一个横梁负荷能力的载荷。
图6a还表示出，在轨道(4)入口处，钻柱升降机的上方，安装有上卸装置(6)，该装置的工作过程表示在图7a及图7b中。
如图7a所示，上卸装置包括一对导瓦(6·1)。在起钻过程中，先将导瓦(6·1)分开，将活动支座的一对支架(3·1)放入导瓦内，使该对支架带杠杆(3·3)的一端朝上;闭合导瓦(6·1)如图7b所示，则活动支座的两个支架亦闭合，钻杆接头被提升到该上卸装置内时，该钻杆接头(5)的上端即顶住杠杆(3·3)的上端，并使杠杆另一端的凸起落入该接头的凹槽内，钻柱于是带同该活动支座上升并进入轨道。依靠轨道管状内壁的约束，该活动支座在轨道内保持闭合。在下钻过程中，要解除活动支座对钻柱的约束时，只需将该上卸装置的一对导瓦(6·1)分开，则当活动支座被钻柱带出轨道之后，便失去轨道的径向约束，于是该活动支座自然松脱，可以被从轨道入口处取走。
由于前面所述
发明内容
部分已经阐明的原因或其他钻井作业的需要，在运用本发明提供的方法起下钻的操作中，有时需要将钻柱分拆为几个钻柱段或将已分拆的钻柱段重新加以联结。由于已经进入轨道的钻柱受到了弯曲，不能被转动;用转动钻柱井下部分的方法来将已进入轨道的钻柱段与未进入轨道的钻柱段拆开或联接也是不适宜的。因此，最好是在各需要分拆开的钻柱段之间采用无须旋转钻柱就可加以联接或分拆的钻杆接头。
图8显示了一种这一用途的钻柱分段接头，该接头具有一个带有公螺纹的接头(7·1)，一个带有台阶F的接头(7·3)，一个带螺纹的套筒(7·2);接头(7·1)及接头(7·3)的对合端以端面S密封钻柱内泥浆通道，并有互相啮合的牙嵌E;图示的套筒(7·2)由数件以螺纹及焊缝固结为一体的零件组成;套筒的一端有母螺纹可与接头(7·1)配合，内部有一台阶与接头(7·3)的台阶配合;固定钻柱的上下两部分，旋转套筒即可将钻柱的上下两部分联接或分拆开来;在钻井的时候，上部钻柱分段的扭矩可以通过牙嵌E直接传递给下部钻柱。
图9显示出一种联接装置。(8·1)是联接装置的母接头，该母接头的一端与钻柱分段接头(7·1)联结，另一端内凹中空，凹陷的底部成母锥面K，而在其端部内侧具有台阶L;联接装置的公接头(8·2)的一端与钻柱分段接头的套筒(7·2)联接，另一端成公锥面，可以插入母接头(8·1)内;公接头(8·2)内装有顶杆(8·3)、卡爪(8·4)、滑块(8·5)、弹簧(8·6)、(8·7)、(8·8)及单向离合器;从剖视图F-F中可以看到该单向离合器包括主动件(8·9)及从动件(8·10);主动件(8·9)的中心有螺纹与顶杆(8·3)的螺纹部分U配合，其外周则有数个切向的缺口，切口内有滚柱(8·11)，在剖视图F-F中，当主动件(8·9)顺时针向转动时，可以带动从动件(8·10)，而当主动件(8·9)反时针向转动时则不能带动从动件(8·10);从动件(8·10)的顶部和滑块(8·5)的底部有可以互相啮合的侧面为斜面的牙嵌V;滑块外侧有槽，公接头壳体上的销(8·12)插入该槽内，使滑块只能在公接头体内作轴向滑动而不能转动;滑块的上部有斜面，该斜面与卡爪(8·4)的斜面相配合;卡爪上有凸起Z，该凸起Z可以从公接头壳体上的窗口伸出公接头体外或缩回公接头体内;顶杆(8·3)上还装有键(8·13)，该键使顶杆(8·3)只能在公接头内作轴向滑动而不能转动。
上述公接头的卡爪(8·4)有两种稳定状态凸起伸出公接头的状态和凸起缩回公接头内的状态。如图(9)所示，在滑块(8·5)上的牙嵌与从动件(8·10)上的牙嵌啮合的时候，卡爪(8·4)在弹簧(8·7)的作用下将凸起Z伸出公接头体外;如果将顶杆(8·3)向公接头内推动一次，如图(9a)所示，则顶杆上的螺纹带动单向离合器的主动件(8·9)转过一个角度，从动件(8·10)亦随之转过一个角度;于是从动件上的牙嵌V的斜面推动滑块(8·5)上升，卡爪(8·4)即由于滑块(8·5)上斜面的约束而缩回公接头内。这时放开顶杆(8·3)，则顶杆在弹簧(8·6)的作用下重新伸出公接头体外;顶杆(8·3)上的螺纹U将带动单向离合器的主动件(8·9)反转，但从动件(8·10)仍保持已有位置，从而滑块(8·5)及卡爪(8·4)亦保持已有的位置。
如果将顶杆(8·3)再向公接头内推动一次，则单向离合器的主动件(8·9)及从动件(8·10)将再随之转过一个角度，滑块(8·5)上的牙嵌将在弹簧(8·8)作用下重新落入从动件(8·10)的牙嵌内，滑块(8·5)上的斜面释放卡爪(8·4)，该卡爪(8·4)即在弹簧(8·7)作用下将凸起Z重新伸出公接头外。由此可见，每将公接头的顶杆(8·3)推入公接头内一次，就可以使卡爪(8·4)从一种状态改变到另一种状态。
在需要联接公接头和母接头时，先使该公接头的卡爪(8·4)处于缩回状态，再将公接头插入母接头内，公接头的顶杆撞到母接头后即被压入公接头(8·2)内，卡爪(8·4)于是伸出公接头体外;牵引公接头(8·2)，卡爪(8·4)即抓住母接头(8·1)上的台阶L，如图(9)所示，母接头亦随同公接头一起运动。在需要分开已联接的公接头和母接头时，只须将公接头再向母接头顶推一次，如图9a所示，则卡爪(8·4)缩回公接头内，该公接头即可从母接头内拔出。
图10a及图10b显示出一种引导轨道(4·2)。该引导轨道在图3所示的应用实例中被装在箭头B所指的位置。其前端与组合轨道的过渡部分(4·1)衔接，后端则与轨道束的各轨道(4·3)衔接，该引导轨道(4·2)为S形，其与组合轨道过渡部分(4·1)衔接的一端中心固定，称为固定端;另一端安装在转盘(4·4)上，称为旋转端;该转盘可以旋转，并被安装在轨道束的入口处;转盘的旋转中心，位于引导轨道(4·2)固定端的中心线上，而轨道末的各条轨道(4·3)的入口端的中心亦分布在引导轨道的旋转端中心旋转而成的圆周上，因此，引导轨道(4·2)的旋转端可以转到轨道束中任何一轨道的入口位置。
在运用本发明进行起下钻作业而需要将钻柱分解为数个钻柱段的时候，运用前述引导轨道及联接装置可以将各钻柱段分别导入或导出不同的轨道，方法如下在起钻时，将引导轨道(4·2)的旋转端转到对正轨道束中一条轨道(4·3)的位置，提升钻柱，并将钻柱在陆续安装上活动支座后推入组合轨道内，使钻柱通过组合轨道的过渡部分(4·1)及引导轨道(4·2)进入引导轨道旋转端所对接的轨道(4·3)中;待该进入轨道的钻柱段1′与后续钻柱1″之间的钻柱分段接头已提升到地面后，即将钻柱段1′与后续钻柱1″在分段接头处拆开，并在钻柱段1′及后续钻柱1″的邻接端分别装上母接头(8·1)及公接头(8·2);继续提升后续钻柱1″并利用后续钻柱将钻柱段1′完全推入轨道束中的轨道(4·3)为止，如图(10a)所示，将后续钻柱1″作一次短促的往复推送，使联接装置的公接头(8·2)与母接头(8·1)分离;下放后续钻柱1″，直到其上端完全退出引导轨道(8·2)为止;将引导轨道(8·2)的旋转端对正另一条轨道;如图(10b)所示，重复前述操作，可使紧接钻柱段1′的后续钻柱段，通过引导轨道(4·2)进入轨道束中的另一轨道;用前述方法，可将各钻柱段依次分别导入轨道束中各别的轨道。
在下钻的时候，所有装于各钻柱段上的公接头的卡爪处于缩回状态。首先将一段钻柱段1″牵引入井内，待其上端完全退出引导轨道之后，将引导轨道(4·2)的旋转端对正另一置有钻柱段1′的轨道，如图(10b)所示，重新提升钻柱段1″，使其上端通过引导轨道(4·2)进入置有钻柱段1′的轨道内，并且使钻柱1″上端的联接装置公接头(8·2)插入钻柱段1′上的母接头(8·1)而互相联接;重新下放钻柱段1″，即可将钻柱段1′向轨道外牵引;待联接钻柱段1′与1″的联接装置被牵离组合轨道后，从钻柱段1′与1″上拆卸该联接装置，并联接好钻柱段1′与1″;继续下放钻柱，即可将钻柱段1′下入井内;重复上述操作，即可将各条钻柱段依次从所放置的轨道内牵引出来，放入井内。
图11a及图11b显示出了一种向钻柱传递向下推力的机构，该机构被称为钻杆拔。该钻杆拔包括一个壳体(9·1);壳体上装有棘爪(9·2)和弹簧(9·3);棘爪(9·2)的推力端朝下;用钻杆拔将钻柱从轨道内牵引出井时，钻杆拔被安装在升降机的横梁(2·1)及(2·2)上;钻柱从钻杆拔中心的通孔中穿过;当横梁上升时，钻杆接头(5)可以推开棘爪(9·3)让钻杆拔越过;该钻杆拔越过该钻杆接头之后，棘爪(9·2)即在弹簧(9·3)推动下卡住钻杆接头(5)的上端台阶，如图(11b)所示，此时横梁下降，则可牵引钻柱向下移动。
补正85101084文件名称页行补正前补正后说明书414……通过，通过418……推瓦……托瓦616……当钻柱拨钻杆拨99……数个钻柱分段数个钻柱段1022……c-c剖视图c-e-c剖视图1422……一端与钻柱一端与钻柱176……，而轨道未的而道束的权利要求
书318壳体上升有窗口壳体上开有窗口说明书摘要5……解降活动支座解除活动支座
权利要求
1.刚性钻柱起下钻的方法，其特征是，在起钻的时候，将已提升出井眼的钻柱或钻柱的一部分弯曲并盘绕起来放置；在下钻的时候，将该被盘绕放置的钻柱或钻柱的一部分移至井口并恢复原状放入井内。
2.按照权利要求
1的刚性钻柱起下钻的方法，其特征是，使用包括钻柱升降机、活动支座及轨道的设备，起钻时，用钻柱升降机将钻柱向地面提升，并每隔一段长度将一个活动支座夹持在钻柱上，该钻柱连同活动支座被一起推入轨道并沿该轨道运动及弯曲，起钻完毕后，进入轨道的钻柱或钻柱的一部分连同活动支座就放置于该轨道上;下钻时，该被置于轨道上的钻柱或钻柱的一部分，被牵引至井口，并逐一解除活动支座后，用升降机放入井内。
3.按照权利要求
2的刚性钻柱起下钻的方法，其特征是，所说轨道为一条轨道。
4.按照权利要求
2的刚性钻柱的起下钻方法，其特征在于，所说轨道为包括一条以上轨道的组合轨道;在起钻的时候，在将一段钻柱导入组合轨道中的一条轨道之后，将该段钻柱与后续钻柱拆开，将后续钻柱导入另一条轨道，如此依次将钻柱分拆为数段并依次导入不同的轨道;在下钻的时候，将置于一条轨道内的钻柱段放入井内后，将其上端与另一轨道内的钻柱段联接，并继续将后一钻柱段下入井内，如此将各条轨道内的钻柱段依次联接并下入井内。
5.按照权利要求
2的刚性钻柱起下钻的方法，其特征是，下钻时在升降机承托钻柱的部分设置向钻柱传递向下推力的机构，在升降机承托钻柱的部分向下运动时，就通过该机构用升降机将轨道内的钻柱向井内牵引。
6.实施如权利要求
2刚性钻柱起下钻的方法的轨道，其特征是，具有一种特征曲线(即，当一个活动支座沿该轨道全长运行时，该活动支座的夹持部分之中心所划越的轨迹)，该特征曲线包括一段围绕一垂直轴线的螺旋线及一段从井口上方开始，沿井身方向延伸并光滑弯曲到与前述螺旋线光滑联接的过渡曲线。
7.按照权利要求
6实施如权利要求
2刚性钻柱起下钻的方法的轨道，其特征是，所说特征曲线的过渡曲线基本上由数段平面曲线光滑联接而成。
8.实施如权利要求
2刚性钻柱起下钻的方法的轨道，其特征是，该轨道圆形管道，其内径在轨道全长为定值，该轨道以圆管的内表面作为轨道的约束表面。
9.实施如权利要求
4刚性钻柱起下钻的方法的轨道，其特征是，所说轨道为组合式轨道，该组合轨道包括至少一条管状的引导轨道及一条以上的管状轨道。该引导轨道的中心线大致为S形，其中一端的中心固定(称为固定端)，另一端则可绕固定端的中心线旋转(称为旋转端)，各条轨道的内径与引导轨道的内径相等，且均有一端(称为入口端)的中心位于引导轨道旋转端中心旋转而成的圆周上，引导轨道可以旋转到对正前述任一轨道的入口端的位置，引导轨道与任一轨道邻接时，二者的中心线在邻接处大体相切。
10.实施如权利要求
2刚性钻柱起下钻的方法的活动支座，其特征是，该活动支座包括一对支架，每一支架的内侧有一与钻柱被夹持部分位外表面配合的凹形夹持面，支架的外侧装有可转动的轮子，轮子的外沿到活动支座中心的距离大致等于管状轨道的内半径，当活动支座夹持着钻柱进入管状轨道后，轮子就支撑住轨道的内壁。
11.实施如权利要求
2刚性钻柱起下钻的方法的上卸装置，该装置使活动支座夹持住钻柱或从钻柱上解除活动支座，其特征是该上卸装置包括一对导瓦，导瓦具有内凹的柱形内表面，当一对导瓦闭合时，其内表面构成一段约束活动支座运动的管形通道。
12.实施如权利要求
2刚性钻柱起下钻的方法的升降机，其特征是，包括至少两个可以作上下运动的横梁，每一横梁上均开有窗口，窗口内有可以分开及闭合的托瓦，托瓦闭合时其内表面可与钻柱在起下钻时被承托部位配合，而托瓦分开时，可让钻柱或钻柱的一部分从窗口内通过。
13.实施如权利要求
4刚性钻柱起下钻的方法的钻柱联接机构，其特征是用于将各段钻柱导入各别的轨道，或将各别轨道内的各段钻柱牵引出来时，钻柱段与段之间的联接或分离。该联接机构包括一个公接头和一个母接头，该母接头的一端具有与钻柱段配合的联接部分，另一端内凹，并在凹陷端的内侧具有台阶，该公接头的一端具有与钻柱段配合的联接部分，另一端可插入母接头的凹陷内与其相连，公接头的壳体上升有窗口，公接头体内装有卡爪、顶杆、滑块、弹簧及单向离合器，前述卡爪具有凸起和斜面，该凸起可以通过公接头体上的窗口伸出公接头体外或缩回公接头体内，前述滑块具有斜面和侧面倾斜的牙嵌，该滑块的斜面和卡爪的斜面配合，前述顶杆的一端伸出公接头体外，该顶杆的一部分具有螺纹，顶杆上还有弹簧，顶杆伸出公接头的一端可以被推入公接头内，取消外力后，弹簧使顶杆重新伸出公接头外，前述单向离合器包括一个主动件和一个从动件，当主动件作往返转动时，从动件只能在一个方向上随主动件转动，主动件具有与前述顶杆的螺纹配合的母螺纹，安装在顶杆上，顶杆作轴向运动时，其螺纹就使该主动件转动，前述从动件具有侧面倾斜的牙嵌，该牙嵌与滑块上的牙嵌啮合，每将前述顶杆推入公接头一次，可以使卡爪的凸起改变一个状态，即，由伸出公接头外的状态改为缩回公接头内的状态，或由缩回公接头内的状态改为伸出公接头外的状态。
14.实施如权利要求
5的刚性钻柱起下钻的方法的推力机构，其特征是，该机构包括一个壳体，壳体的中心有通孔，该通孔的直径足以让钻柱或钻柱的一部分从中通过，通孔内装有弹簧及棘爪，在工作状态，棘爪推力端朝向下方。
专利摘要
本发明提供了一种钻井工程中的刚性钻柱起下钻方法及设备，包括钻柱升降机、轨道、活动支座、活动支座上卸装置、钻杆拔及牵引接头。起钻时被钻柱升降机从井内起升至地面的钻柱用活动支座夹持住进入轨道，并沿轨道弯曲。起钻完毕，钻柱连同活动支座一起在轨道内放置。下钻时将置于轨道内的钻柱牵引出来，解降活动支座后下入井内。
文档编号E21B19/22GK85101084SQ85101084
公开日1987年1月17日 申请日期1985年4月1日
发明者罗明远 申请人:罗明远