具有內部夾鉗的管道工具的製作方法

2023-06-01 18:01:41

專利名稱：具有內部夾鉗的管道工具的製作方法
技術領域：
本發明涉及鑽井操作，更特別地涉及用於輔助管柱裝配的裝置， 所述管柱例如為套管柱、鑽柱等。
背景技術：
油井鑽探包括裝配鑽柱和套管柱，每個鑽柱包括從石油鑽機向下 伸入孔中的多個細長、沉重的管段。鑽柱由多個螺紋接合在一起的管 段組成，其中最下面的管段(即，伸入孔中最遠處的管段)在其下端 安裝鑽頭。典型地，套管柱圍繞鑽柱布置以在鑽孔後給井孔加襯並確 保孔的完整性。套管柱同,樣由多個管段組成，所述管段螺紋聯接在一 起並且形成有其尺寸接收鑽柱和/或其它管柱的內徑。將多個套管段聯接在一起形成套管柱的傳統方式是涉及使用"扶 套管入扣的鑽工"和套管鉗的勞動密集型方法。手動控制扶套管入扣的 鑽工將套管段插入已有套管柱的上端，並且套管鉗設計成能接合併旋 轉所述套管段以使其螺紋連接到套管柱上。儘管這種方法是有效的，但是該方法由於步驟手動完成而變得繁重和相對低效。另外，套管鉗 要求套管工正確接合套管段並將該套管段聯接到套管柱上。因此，這種方法是相對勞動密集的，從而成本昂貴。而且，使用套管鉗需要安 裝腳手架或其它類似結構，因此效率變低。因此，對於本領域普通技術人員來說顯而易見的是不斷需要在鑽 探系統中使用的裝置，所述系統利用已有的頂部驅動裝置有效地裝配 管柱，並且有效接合管段以確保將管段正確地聯接到管柱上。本發明 解決了這些及其它需要。發明內容在一個實施例中，本發明是用於將管段聯接到管柱上的系統，其包括 一具有輸出軸的頂部驅動裝置；和一管道工具，所述管道工具 聯接到頂部驅動裝置上並通過所述頂部驅動裝置的輸出軸旋轉。所述 管道工具包括 一內部夾鉗，其用於插入到管段內徑中並且包括錐形 卡瓦(slip)錐部，所述錐形卡瓦錐部滑動接收多個卡瓦的相應錐形表 面，使得卡瓦上的豎向力造成卡瓦徑向向外移動以與管段內徑形成夾 緊接合；並且其中，施加到卡瓦上的豎向力足以使卡瓦與管段內徑的 夾緊接合將來自於頂部驅動裝置輸出軸的扭矩傳遞給管段。在另一個實施例中，上述內部夾鉗是導向插頭本體，該導向插頭 本體插入管段內徑中並包括錐形卡瓦錐部，所述錐形卡瓦錐部滑動接 收多個卡瓦的相應錐形表面。該實施例還包括卡瓦缸，所述卡瓦缸在 卡瓦上施加向下力，從而導致卡瓦徑向向外移動以與管段內徑形成夾 緊接合，其中，卡瓦缸作用在卡瓦上的向下力足以允許卡瓦與管段內徑的夾緊接合將來自於頂部驅動裝置輸出軸的扭矩傳遞給管段。在另 一個實施例中，本發明是用於將管段聯接到管柱上的系統， 其包括 一具有輸出軸的頂部驅動裝置；和一管道工具，其聯接到頂 部驅動裝置上並通過所述頂部驅動裝置的輸出軸旋轉，其中，所述管 道工具包括 一管接合組件，其用於夾緊接合所述管段，從而足以將 來自於頂部驅動裝置輸出軸的扭矩傳遞給管段；和一補償器，其用於 控制管段螺紋端上的載荷。通過下面結合附圖進行的詳細描述，本發明的其它特徵和優點將 變得顯而易見，其中，所述附圖以舉例方式顯示了本發明的特徵。


圖l是鑽機的立面側視圖，所述鑽機整合有根據本發明的一個示 例性實施例的管道工具；圖2是以放大比例尺顯示的圖l所示管道工具的側視圖； 圖3是沿圖2所示直線3-3剖開的剖視圖； 圖4是沿圖2所示直線4-4剖開的剖視圖；圖5A是沿圖2所示直線5-5剖開的剖視圖，顯示了處於脫離位 置的卡盤/吊卡；圖5B是類似於圖5A的剖視圖，顯示了處於接合位置的卡盤/吊卡；圖6是包括在本發明的一個示例性實施例中的部件的框圖； 圖7是本發明的另一個示例性實施例的側視圖； 圖8是根據本發明的一個實施例的管道工具的剖視圖，其中示意 性地顯示了頂部驅動裝置；圖9是在圖8所示管道工具中使用的卡瓦缸的透視圖；和圖IO是根據本發明另一實施例的管道工具的部分剖開的側視圖。
具體實施方式
如圖l-10所示，本發明涉及在鑽探系統等中用於將管段螺紋連 接到管柱上的管道工具(在下文中使用時，術語"管段"應當理解為套 管段和/或鑽段，而術語"管柱"應當理解為套管柱和/或鑽柱)。根據本發明的管道工具接合管段並進一步聯接到已有頂部驅動裝 置上，使得在管段和管柱之間的螺紋接合操作期間，頂部驅動裝置的 旋轉給所述管段施加扭矩。在一個實施例中，管道工具包括載荷補償 器，該載荷補償器控制在螺紋接合操作期間管段螺紋作用於管柱螺紋 上的載荷。在一個實施例中，管道工具包括用於在螺紋接合操作期間接合管 段外徑的卡盤吊卡。在另一個實施例中，管道工具包括導向插頭本體， 該導向插頭本體具有滑動聯接到其上、用於在螺紋接合操作期間可移 除地接合管段內徑的卡瓦。在後一實施例中，在螺紋接合操作期間， 在足以使扭矩從頂部驅動裝置傳遞給管段上的作用力作用下，卡瓦塊 被向下驅動以接合所述管段。在下面的詳細說明中，相同的參考標記用於在不同的附圖中表示 相同或相應的元件。現在參考圖1和2，其顯示出描述了本發明的一 個示例性實施例的管道工具10,所述管道工具設計成在裝配例如鑽柱、套管柱等的管柱過程中使用。例如圖2所示，管道工具10通常包 括框架組件12、旋轉軸14和管接合組件16，所述管接合組件16聯接 到旋轉軸14上以與其一起旋轉。管接合組件16設計成選擇性地接合 管段ll (例如圖1、 2和5A中所示)以充分避免管段ll和管接合組 件16之間的相對旋轉。例如圖l所示，旋轉軸14設計成與已有頂部 驅動裝置24的頂部驅動裝置輸出軸28相聯接，使得通常用於使鑽柱 旋轉以鑽出井孔的頂部驅動裝置24可用來將管段11裝配到管柱34 上，如下面更詳細描述的那樣。如圖所示，在圖1中，管道工具10可設計成在鑽井機18中使用。 授權給Boyadjieff的美國專利號4，765，401公開了這種鑽井機的適當實 例，該文獻在此全文引入作為參考。如圖l所示，鑽井機18包括框架 20和一對導軌22，通常表示為24的頂部驅動裝置可以沿所述軌道安 放以便相對於鑽井機18豎向移動。頂部驅動裝置24優選地為用於使 鑽柱旋轉以鑽出井孔的傳統頂部驅動裝置，如授權給Boyadjieff的美 國專利號4,605,077中所述，該文獻在此引入作為參考。如本領域中傳 統的那樣，頂部驅動裝置24包括驅動馬達26和從所述驅動馬達26 向下伸出的頂部驅動裝置輸出軸28,其中可操作驅動馬達26使驅動 輸出軸28旋轉。鑽井機18界定了具有中心開口 32的鑽臺30，諸如 鑽柱和/或套管柱的管柱34通過所述中心開口向下伸入井孔中。鑽井機18還包括齊平安裝的卡盤36，該卡盤配置為在管柱從卡 盤36向下伸入井孔中時可鬆開地接合所述管柱34並支撐其重量。如 本領域中熟知的那樣，卡盤36包括界定了中心通道的大體圓柱形外 殼，管柱34可以穿過所述中心通道。卡盤36包括多個卡瓦，所述卡 瓦位於所述外殼內並在脫離和接合位置之間有選擇地移動，.其中卡瓦 徑向向內驅動到相應的接合位置以緊密接合管柱34,從而防止管柱34 相對於卡盤外殼的相對運動或旋轉。卡瓦優選地通過液壓或氣動系統 在脫離和接合位置之間被驅動，但是也可以通過其它適當的裝置驅動。主要參考圖2，管道工具10包括框架組件12,該框架組件包括一 對從連杆接頭42向下伸仏的連杆40。連杆接頭42界定了中心開口 44，頂部驅動裝置輸出軸28可以穿過所述中心開口。在中心開口 44的徑 向相對側上安裝到連接接頭42上的是分別向上延伸的管形構件46(圖 1)，所述管形構件隔開預定距離以允許頂部驅動裝置輸出軸28從其間 穿過。相應管形構件46的上端連接到旋轉頭48上，所述旋轉頭連接 到頂部驅動裝置24上以與其一起運動。旋轉頭48界定了可使頂部驅 動裝置輸出軸28穿過的中心開口 (未顯示)，並且還包括軸承(未顯 示)，所述軸承接合管形構件46的上端並允許管形構件46相對於旋轉 頭本體轉動，如下文更詳細描述的那樣。頂部驅動裝置輸出軸28的下端終止於內花鍵聯軸器52中，所述 內花鍵聯軸器與管道工具10的旋轉軸14的上端(未顯示)相接合。 在一個實施例中，管道工具10的旋轉軸14的上端形成為與花鍵聯軸 器52互補以與其一起旋轉。因此，當頂部驅動裝置輸出軸28通過頂 部驅動裝置馬達26旋轉時，管道工具10的旋轉軸14也旋轉。應當理 解，可以使用任何適當的連接裝置來使頂部驅動裝置輸出軸28與管道 工具10的旋轉軸14牢固接合。在一個示例性實施例中，管道工具10的旋轉軸14連接到通常表 示為56的傳統的管子上卸裝置(pipe handler)上，所述管子上卸裝 置可以由適當的扭矩扳手(未顯示)接合以使旋轉軸14旋轉，從而擰 上拆下需要極高扭矩的螺紋接頭，如本領域中熟知的那樣。在一個實施例中，管道工具的旋轉軸14還形成有下部花鍵段58， 該下部花鍵段滑動接收在細長的花鍵襯套60中，所述花鍵襯套為管道 工具10的旋轉軸14的延伸部。旋轉軸14和襯套60為花鍵接合以提 供旋轉軸14相對於襯套60的豎向移動，如下文更詳細描述的那樣。 應當理解，花鍵連接裝置在管道工具10的旋轉軸14旋轉時使襯套60 轉動。管道工具10還包括管接合組件16,該管接合組件在一個實施例 中包括扭矩傳遞套筒62 (例如圖2所示)，該扭矩傳遞套筒牢固連接 到襯套60的下端上以與其一起旋轉。扭矩傳遞套筒62通常為環形並 且包括一對位於套筒62的徑向相對側上的向上伸出的臂64。臂64形成有相應的水平通道(未顯示)，相應的軸承(未顯示)安裝到所述水平通道中以使位於其中的旋轉軸70樞轉，如下文更詳細描述的那樣。 扭矩傳遞套筒62的下端連接到形式為一對管形構件73的向下伸出的 扭矩框架72上，所述管形構件繼而聯接到與所述扭矩框架72 —起轉 動的卡盤/吊卡74上。顯而易見的是，扭矩框架72可以具有任何一種 結構，例如多個管形構件，實心本體或任何其它的適當結構。卡盤/吊卡74優選地由液壓或氣動系統驅動，或者可選地由電力 驅動馬達或任何其它的適當動力系統驅動。如圖5A和5B所示，卡盤 /吊卡包括界定有中心通道76的外殼74，管段11可以穿過所述中心通 道。卡盤/吊卡74還包括一對帶有可移動活塞杆78的液壓或氣壓缸77， 所述活塞杆通過適當的樞轉聯動裝置79連接到相應的卡瓦80上。聯 動裝置79樞轉連接到活塞杆78的頂端和卡瓦80的頂端。卡瓦80包 括通常平坦的前夾緊表面82和特定輪廓的後表面84,所述後表面設 計成所具有的輪廓使卡瓦80在相應的徑向向外布置的脫離位置和徑 向向內布置的接合位置之間移動。卡瓦80的後表面沿相應的向下和徑 向向內伸出的導向構件86移動，所述導向構件具有互補輪廓並牢固連 接到卡盤本體上。導向構件86與缸77和聯動裝置79相配合以使卡瓦 80徑向向內地以凸輪方式運動，並迫使卡瓦80進入相應的接合位置。 因此，可以給缸77(或其它致動裝置)提供動力以向下驅動活塞杆78, 從而導致相應的聯動裝置79被向下驅動並迫使卡瓦80向下運動。導 向構件86的表面為傾斜的以迫使卡瓦80在其向下驅動以夾住位於它 們之間的管段11時徑向向內運動，其中導向構件86使卡瓦80與管段 ll保持緊密接合。為了使管段11與卡瓦80脫離，缸77反向操作以使活塞杆78向 上驅動，所述活塞杆向上牽引聯動裝置79並使相應卡瓦80縮回到它 們的脫離位置以鬆開管段11。導向構件86優選地形成有相應的凹口 81，所述凹口接收卡瓦80的相應突出部分83以將卡瓦80鎖定在脫離 位置(圖5A)。卡盤/吊卡74進一步包括一對形成有面向下方的凹槽90的徑向對置、向外突出的耳狀物88，所述凹槽90的大小製成接收位於相應連 杆40的底端處的相應形狀的圓柱形構件92，從而將連杆40的下端牢 固地連接到卡盤/吊卡74上。耳狀物88可以連接到接收於卡盤外殼75 外面的環形套筒93上。可選地，耳狀物可以與卡盤外殼整體地形成。
在一個示例性實施例中，例如圖2所示，管道工具IO包括通常表 示為94的載荷補償器。在一個實施例中，栽荷補償器94的形式為一 對液壓的、雙杆式缸96,所述缸均包括一對從該釭96選擇性地伸出 或縮入其中的活塞杆98。杆98的上端連接到補償器夾鉗100上，所 述補償器夾鉗繼而連接到管道工具10的旋轉軸14上，而杆98的下端 向下伸出並連接到一對牢固安裝到襯套60上的耳狀物102上。可以驅 動液壓缸96以通過給釭96施加壓力而使襯套60相對於管道工具10 的旋轉軸14向上牽引，從而導致活塞杆98的上端縮入相應的缸體96 中，其中襯套60和旋轉軸14的下花鍵部58之間的花鍵連接允許襯套 60相對於旋轉軸14豎向移動。這樣，由卡盤/吊卡74夾持的管段11 可以豎向抬起以減少由管段11的螺紋施加給管柱34的螺紋的一部分 或全部載荷，如下文更詳細描述的那樣。
如圖2所示，杆98的下端至少部分地縮回，導致來自於管道工具 10的大部分載荷由頂部驅動裝置輸出軸28承受。另外，當預選最大 值以上的載荷施加給管段11時，缸96使載荷自動縮回以防止全部載 荷施加給管柱ll的螺紋。
在一個實施例中，管道工具10更進一步地包括通常表示為104 的起重機構以將管段ll向上提升到卡盤/吊卡74中。在圖2所示實施 例中，起重機構104偏軸設置並且包括一對由軸70攜帶的滑輪106， 所述軸70旋轉支承在形成於臂64中的相應通道內的軸承中。起重機 構104還包括通常表示為108的齒輪驅動裝置，所述齒輪驅動裝置可
輪106旋轉。起重機構還可以包括制動器115以防止軸70及滑輪106 旋轉，並將它們及扭矩套(torque hub) 116鎖定在適當的位置上。因 此， 一對鏈、纜索或其它適當的柔性裝置可以繞過相應的滑輪106，延伸達到鏈井113的長度並與管段11接合。軸70隨後通過適當的驅 動系統進行旋轉以將管段11豎向提升並向上達到管段11的上端伸入 卡盤/吊卡74中的位置。
在一個實施例中，如圖1所示，管道工具IO進一步包括環形軸環 109，所述軸環接收於連杆40外面，使連杆40保持鎖定到卡盤/吊卡 74的耳狀物88上並且防止連杆40扭轉和/或旋轉。
在使用中，工作人員可以操作管道工具10直到工具10的上端與 頂部驅動裝置輸出軸28的下端對準。管道工具10隨後豎向提升直到 位於頂部驅動裝置輸出軸28的下端處的花鍵聯軸器52與管道工具10 的旋轉軸14的上端接合，以及管道工具10的連杆40與卡盤/吊卡74 的耳狀物88接合。工作人員隨後可以拉動起重機構104的相應滑輪 106上的一對鏈或纜索，將鏈或纜索連接到管段ll上，使適當的驅動 系統與齒輪108接合，並且驅動所述驅動系統以使滑輪106旋轉，從 而使管段11向上提升直到管段11的上端延伸穿過卡盤/吊卡74的下 端。隨後驅動卡盤/吊卡74，其中液壓缸77和導向構件86相配合以迫 使相應的卡瓦80到達接合位置(圖5B)，從而正確地接合管段11。 卡瓦80優選地前進足夠的程度以防止管段11和卡盤/吊卡74之間的 相對旋轉，使得卡盤/吊卡74的旋轉轉化為管段11的相應旋轉，從而 允許管段11與管柱34螺紋接合。
頂部驅動裝置24隨後通過頂部起重機25相對於鑽井機框架20 下降以驅動管段ll的螺紋下端與管柱34的螺紋上端形成接觸(圖1)。 如圖l所示，如本領域的普通技術人員所知，管柱34通過用於將管柱 34固定在適當位置處的齊平安裝的卡盤36或任何其它適當結構牢固 保持在適當的位置上。當管段ll的螺紋與管柱34的螺紋正確配合時， 頂部驅動裝置馬達26被驅動以使頂部驅動裝置輸出軸28旋轉，所述 頂部驅動裝置輸出軸繼而使管道工具10的旋轉軸14和卡盤/吊卡74 旋轉。這繼而導致聯接的管段11旋轉以螺紋接合管柱34。
在一個實施例中，將管段ll有意下降直到管段ll的下端支撐在 管柱34的頂部上。隨後驅動載荷補償器94以通過襯套60和旋轉軸14之間的花鍵連接裝置使對套60相對於管道工具10的旋轉軸14向 上驅動。襯套60的向上運動導致卡盤/吊卡74及聯接的管段11上升， 從而減少管段ll的螺紋施加到管柱34的螺紋上的載荷。這樣，螺紋 上的載荷可以通過驅動載荷補償器94得到控制。當管段11螺紋聯接到管柱34上時，頂部驅動裝置24豎向上升以 提升整個管柱34，從而導致齊平安裝的卡盤36與管柱34脫離。頂部 驅動裝置24隨後下降以使管柱34向下運動到井孔中直到頂部管段11 的上端接近鑽臺30，其中管柱ll的全部載荷由連杆40承受，而扭矩 通過軸提供。隨後致動齊平安裝的卡盤36以接合管柱11並使其由此 懸掛。卡盤/吊卡74隨後反向控制以使卡瓦80縮回到相應的脫離位置 (圖5A)以鬆開管柱11。頂部驅動裝置24隨後上升以提升管道工具 10直到起始位置(例如圖1所示)，並且可以對其它管段11進行重複 的步驟。參考圖6，顯示了包括在管道工具10的一個示例性實施例中的部 件的框圖。在這個實施例中，工具包括以這樣的方式安裝在管道工具 IO上的傳統載荷傳感器IIO或其它適當的載荷測量裝置，使得它與管 道工具10的旋轉軸14關聯以確定施加到管段11的下端上的載荷。載 荷傳感器110為可操作的以產生代表被測載荷的信號，所述信號在一 個示例性實施例中傳送給處理器112。對處理器112進行編程以具有 預定載荷臨界值，並且將來自於載荷傳感器110的信號與預定載荷臨 界值進行比較。如果載荷超過預定臨界值，處理器112激活載荷補償 器94以使管道工具10向上牽引選定距離，從而減少作用於管段11 的螺紋上的至少一部分，荷。當載荷等於或低於預定臨界值時，處理 器112控制頂部驅動裝置24以使管段11旋轉，從而使管段11螺紋接 合到管柱34上。當頂部驅動裝置24致動時，處理器112繼續監視來 自於載荷傳感器110的信號，從而確保管段11上的載荷不超過預定臨 界值。可選地，管段ll上的載荷可以手動控制，其中載荷傳感器110通 過適當的儀表或其它顯示器表明管段11上的載荷，從而使工人控制載荷補償器94和頂部驅動裝置24。參考圖7,顯示了本發明的管道工具200的另一個優選實施例。 管道工具包括與如上所述的挺升機構104大體上相同的提升機構202。 假定旋轉軸204的下端連接到傳統的泥漿填注裝置206上，如本領域 已知的那樣，該泥漿填注裝置用於在裝配過程中使例如套管段的管段 11裝滿泥漿。在一個示例性實施例中，泥漿填注裝置是由Texas的 Davies — Lynch Inc.製造的裝置。提升機構202支撐一對鏈208，所述鏈與位於管道工具200下端 的卡瓦式單根吊卡210相接合。如本領域中已知，單根吊卡為可操作 的以可鬆開地接合管段11,其中提升機構202為可操作的以使單根吊 卡和管段11向上提升並進入卡盤/吊卡74。工具200包括界定了圓柱形下端92的連杆40，所述下端接收在 形成於卡盤/吊卡74的徑向相對側上的通常J形切口 212中。由上可知，顯而易見的是，管道工具10有效地使用已有頂部驅動 裝置24裝配例如套管柱或鑽柱的管柱11,並且不依賴於笨重的套管 鉗及其它傳統的裝置。管道工具10整合有卡盤/吊卡74，所述卡盤/ 吊卡不僅夾持管段11，而且使它們旋轉從而將管段11螺紋接合到已 有的管柱34上。因此，管道工具IO提供了一裝置，該裝置夾緊和擰 緊管段ll，並且還能夠在管柱降至井孔中時支撐管柱34的全部載荷。圖8顯示了根據本發明的另一個實施例的管道工具IOB。在該實 施例中，管道工具10B的上端包括具有內螺紋120的頂部驅動裝置延 伸軸118，所述內螺紋與頂部驅動裝置24的輸出軸28上的外螺紋122 螺紋接合。同樣，頂部驅動裝置24的輸出軸28的旋轉直接傳送給管 道工具10B的頂部驅動裝置延伸軸118。注意在另一個實施例中，頂 部驅動裝置延伸軸118可以具有外螺紋，並且頂部驅動裝置24的輸出 軸28可以具有內螺紋。提升缸124附接到頂部驅動裝置延伸軸118的下端，所述提升缸 設置在提升缸外殼126內。提升缸外殼126繼而例如通過螺紋連接附 接到導向插頭本體128上。導向插頭本體128包括卡瓦錐形部分130,其滑動接收多個卡瓦132，使得當導向插頭本體128放置在管段11中 時，卡瓦132可以沿卡瓦錐形部分130在與管段11的內徑134相關的 接合或脫離位置之間滑動。卡瓦132可以利用液壓、氣動或電氣系統 連同其它適當的裝置一起在接合和脫離位置之間驅動。在一個實施例中，頂部驅動裝置延伸軸118的下端具有允許延伸 軸118相對於內花鍵環136進行豎向移動、而不是旋轉運動的外花鍵， 頂部驅動裝置延伸軸118的花鍵下端接收在所述內花鍵環中。花鍵環 136進一步非旋轉地附接到提升缸外殼126上。同樣，頂部驅動裝置 24的旋轉由頂部驅動裝置24的輸出軸28傳遞給頂部驅動裝置延伸軸 118，所述頂部驅動裝置延伸軸通過延伸軸118和花鍵環136的花鍵連 接將旋轉傳遞給花鍵環136。花鍵環136繼而將旋轉傳遞給提升缸外 殼126，所述提升缸外殼將旋轉傳遞給導向插頭本體128，使得當導向 插頭本體128的卡瓦132與管段11接合時，頂部驅動裝置24的旋轉 或扭矩傳遞給管段ll,從而允許管段ll與管柱34螺紋接合。在一個實施例中，管道工具10B包括例如通過螺紋連接附接到導 向插頭本體128的上部上的卡瓦缸外殼138。卡瓦缸140設置在卡瓦 缸外殼138中。在一個實施例中，管道工具10B包括一個卡瓦缸140， 所述卡瓦缸連接到多個卡瓦132中的每一個上，使得卡瓦缸140的豎 向運動造成所述多個卡瓦132中的每一卡瓦132在與管段11相關的接 合和脫離位置之間移動。卡瓦缸140的豎向移動可以通過使用位於卡瓦缸外殼138內部的 卡瓦缸140的壓縮空氣或液壓流體作用完成。可選地，可以電子控制 卡瓦缸140的豎向移動。在一個實施例中，卡瓦缸140的下端連接到 多個卡瓦132上，使得卡瓦缸140的豎向移動造成所述多個卡瓦132 中的每一卡瓦132沿導向插頭本體128的卡瓦錐形部分130滑動。如圖所示，導向插頭本體128的卡瓦錐形部分130的外表面為錐 形。例如，在該實施例中，卡瓦錐形部分130沿向下方向徑向向外成 錐形，並且所述多個卡瓦132中的每一卡瓦132包括沿向下方向徑向 向外相應成錐形的內表面。在一個實施例中，卡瓦錐形部分130包括由徑向向內臺階144隔開的第一錐形部分142和第二錐形部分146; 並且所述多個卡瓦132中的每一"^"瓦132包括由徑向向內臺階150隔 開的第一錐形部分148和第二錐形部分152。卡瓦錐形部分130和卡 瓦132的向內臺階144和150分別允許所述多個卡瓦132中的每一"f" 瓦132沿豎向方向具有合適的長度，並且不會在卡瓦錐形部分130的 最小部分處產生不希望的小橫截面積。卡瓦132的細長長度是人們所 希望的，因為這增大了卡瓦132的外表面和管段11的內徑之間的接觸 面積。在一個實施例中，當卡瓦缸140布置在向下驅動位置時，卡瓦132 沿導向插頭本體128的卡瓦錐形部分130滑下，並且徑向向外到達與 管段ll的內徑134接合的位置；並且，當卡瓦缸140布置在向上位置 時，卡瓦132沿導向插頭本體128的卡瓦錐形部分130向上滑動，並 且徑向向內到達與管段11的內徑134相脫離的位置。在一個實施例中，每一卡瓦132包括大體平坦的前夾緊表面154， 所述前夾緊表面包括例如齒的夾緊裝置以接合管段ll的內徑134。在 一個實施例中，卡瓦缸140具有驅動卡瓦缸140達到向下驅動位置的 向下驅動力，其中作用力足以使來自於頂部驅動裝置24的扭矩通過卡 瓦132傳遞給管段11。圖9顯示了與圖8所示管道工具10B —起使用的卡瓦缸140的一 個實施例。如圖所示，卡瓦缸140包括頭部156和軸158,其中，軸 158包括多個爪(feet) 160,所述爪中的每一個用於附接到位於多個 卡瓦132中一個相應卡瓦上的凹口 162中(同樣參見圖8)。縫164可 以在卡瓦缸140的多個爪160中的每一個之間延伸，從而給爪160增 大柔性以便於爪160附接到相應的卡瓦132上。卡瓦缸140的頭部156 還可以包括用於接收例如O形圏的密封件的周向槽166,從而密封卡 瓦缸頭部156以上和以下的液壓流體或壓縮氣體。在各種實施例中， 多個卡瓦132可以包括三個、四個、六個或任何適當數量的卡瓦132。如圖8所示，管段檢測器168附接到卡瓦缸外殼138上。在一個 實施例中，當由管道檢測器168檢測的管段鄰近管道檢測器168放置時，管道檢測器168驅動卡瓦缸140到達向下驅動位置，使卡瓦132 移動成與管段11相接合，允許管段11通過頂部驅動裝置24進行移動 和/或旋轉《同樣如圖8所示，導向插頭本體128的下端包括對扣錐體170， 其沿向上方向徑向向外成錐形。這種錐形有利於導向插頭本體128插 入管段11中。用於接收膨脹型封隔器174的周向槽172鄰近對扣錐體 170。在一個實施例中，對於封隔器174而言存在兩種操作選擇。例如， 封隔器174可在管子/套管移動期間在放氣或充氣狀態下使用。當使套 管柱/管柱充滿泥漿流體/鑽井流體時，有利的是使封隔器174處於放 氣狀態以便使空氣從套管中排出。這稱作裝滿模式。當泥漿需要在高 壓和高流動狀態下在整個套管柱中循環時，有利的是使封隔器174處 於充氣狀態以密封套管的內部容積。這稱作循環模式。在一個實施例中，處於放氣狀態的膨脹型封隔器174的外徑大於 錐體170的最大橫截面積。這有助於流向錐體170的任何鑽井流體導 向膨脹型封隔器174的下側，使得在循環模式期間，膨脹型封隔器174 的下側上的壓力導致封隔器174充氣並且形成封閉管段11內徑的密 封。這種密封防止鑽井流體接觸卡瓦132和/或導向插頭本體128的卡 瓦錐形部分130,從而可以減小管段11的內徑134上的卡瓦132的夾 緊力。在管道工具包括外部夾鉗(例如圖2所示)的實施例中，封隔器 可以布置在卡瓦上方。通過在設定卡瓦之前控制管子通過卡瓦上推到 什麼程度，可以控制封隔器在卡瓦設定時是否插入套管(循環模式) 或仍然在套管上方(裝滿模式)。為此，這種管道工具可以包括能夠檢 測兩個獨立管位置的管位置傳感器。現在參見管道工具10B的上部，補償器外殼176附接到花鍵環136 的上部。彈簧組件177設置在補償器外殼176上方。載荷補償器178 布置在補償器外殼176內並且其上端通過連接器或"保持器"180附接 到頂部驅動裝置延伸軸118上。載荷補償器178可在補償器外殼176 內豎向移動。由於載荷補償器178以不可豎向移動的方式附接到頂部驅動裝置延伸軸118上，並且延伸軸118通過花鍵連接連接到導向插 頭本體128上，當導向插頭本體128與管段11接合時，載荷補償器 178的豎向移動導致頂部驅動裝置延伸軸118和導向插頭本體128之 間的相對豎向移動，並因此導致頂部驅動裝置24和管段11之間的相 對豎向移動。管段11和頂部驅動裝置24之間的相對豎向移動起到幾個作用。 例如，在一個實施例中，當管段ll螺紋接合到管柱34中時，管柱34 通過齊平安裝的卡盤36的作用以不可豎向和旋轉運動的方式保持。因 此，當管段11螺紋接合到管柱34中時，管段ll向下移動。通過允許 頂部驅動裝置24和管段11之間的相對豎向移動，頂部驅動裝置24 在管段ll和管柱34之間的螺紋接合操作期間無需豎向移動。同樣， 允許頂部驅動裝置24和管段11之間的相對豎向移動使管段11的螺紋 施加到管柱34的螺紋上的載荷得到控制或補償。如卡瓦缸140—樣，載荷補償器178的豎向移動可以通過使用載 荷補償器178的壓縮空氣或液壓流體作用或者通過電子控制，連同其 它適當的裝置一起完成。在一個實施例中，載荷補償器178是空氣緩 衝式補償器。在這個實施例中，空氣通過軟管182充入補償器外殼176 中，並且以預定作用力向下作用在載荷補償器178上。這使管段11 向上移動預定距離並且以預定量減小了作用於管段11的螺紋上的載 荷，從而以預定量控制作用在管段ll的螺紋上的載荷。可選地，載荷傳感器(未顯示)可用於測量管段11的螺紋上的載 荷。處理器(未顯示)可以具有預定臨界載荷並進行編程以驅動載荷 補償器178，從而在載荷傳感器檢測到超過處理器的預定臨界值的載 荷時減小作用於管段ll的螺紋上的載荷，與上文參照圖6所述的類似。如圖8所示，提升缸外殼126包括載荷肩部184。因為提升缸124 設計成可與載荷補償器178 —起豎向移動，在管段11和管柱34之間 的螺紋接合操作期間，提升缸124設計成與載荷肩部184脫離，從而 允許載荷補償器178控制管段11的螺紋上的載荷，並且允許管段11 相對於頂部驅動裝置24運動。然而，當人們希望提升管段ll和/或管柱34時，提升缸124通過頂部驅動裝置24豎向向上移動以與載荷肩 部184形成接觸。管道工具10B和由此保持的任何管的重量隨後通過 提升缸124和載荷肩部184之間的相互作用得到支撐。同樣，管道工 具10B能夠給管段11傳送扭矩和提升載荷。
如圖8所示，頂部驅動裝置延伸軸118包括通向提升缸124中的 鑽井流體閥188的鑽井流體通道186。延伸軸118中的鑽井流體通道 186和提升缸124中的鑽井流體閥188允許鑽井流體從內部流過花鍵 環136和延伸軸118的花鍵部之間的花鍵連接，因此不與該花鍵連接 發生幹涉或"幹擾"。提升缸124還包括用於接收諸如O形圏的密封件 的周向槽192，從而提供防止鑽井流體向上流過此處的密封，從而進 一步保護花鍵連接。在提升缸124的鑽井流體閥188以下，鑽井流體 流過導向插頭本體128中的鑽井流體通道l卯，流過管段11和管柱34 的內徑並向下流入井孔。在一個實施例中，管段ll是直徑為至少14 英寸的套管段。
圖10顯示了管道工具IOC，其具有用於夾緊管段11C的外徑的 外夾緊式管接合組件16C和載荷補償器178C。圖10的外夾緊式管接 合組件16C包括與上文參照圖2-5B所示管接合組件16描述的大體 上相同的元件和功能，因此不再重複描述，但下文明確說明的除外。
圖10的實施例顯示了具有輸出軸122C的頂部驅動裝置24C，所 述輸出軸122C連接至管道工具IOC上的頂部驅動裝置延伸軸118C。 頂部驅動裝置延伸軸118C的下端具有允許延伸軸118C相對於內花鍵 環136C進行豎向移動、而不是旋轉運動的外花鍵，頂部驅動裝置延 伸軸118C的花鍵下端接收在所述內花鍵環中。
載荷補償器178C通過保持器180C連接到頂部驅動裝置延伸軸 118C上。載荷補償器178設置在載荷補償器外殼176內並可相對於該 載荷補償器外殼豎向移動。載荷補償器外殼176連接至花鍵環136C, 所述花鍵環進一步連接至管接合組件16C的上部。彈簧組件177C設 置在載荷補償器外殼176C的上方。
由於載荷補償器178C以不可豎向移動的方式附接到頂部驅動裝置延伸軸118C上，並且延伸軸118C通過花鍵連接(即，花鍵環136C ) 連接到管接合組件16C上，當管接合組件16C與管段11C接合時， 載荷補償器178C的豎向移動導致頂部驅動裝置延伸軸118C和管接合 組件16C之間的相對豎向移動，並因此導致頂部驅動裝置24C和管段 IIC之間的相對豎向移動。載荷補償器178C的豎向移動可以通過使用載荷補償器178C的壓 縮空氣或液壓流體作用或者通過電子控制，連同其它適當的裝置一起 完成。在一個實施例中，載荷補償器178C是空氣緩衝式補償器。在 這個實施例中，空氣通過軟管充入補償器外殼176C中，並且以預定 作用力向下作用在載荷補償器178C上。這使管段11C向上移動預定 距離並且以預定量減小了作用於管段11C的螺紋上的載荷，從而以預 定量控制作用在管段11C的螺紋上的載荷。可選地，載荷傳感器(未顯示)可用於測量管段11C的螺紋上的 載荷。處理器(未顯示)可以具有預定臨界載荷並進行編程以驅動載 荷補償器178C,從而在載荷傳感器檢測到超過處理器的預定臨界值的 載荷時減小作用於管段11C的螺紋上的載荷，與上文參照圖6所述的 類似。根據本發明一個具體實施例的管道工具可以設置有提升機構202 和鏈208以移動單根吊卡210,所述單根吊卡布置在如上文參照圖7 所述的管道工具的下方。可選地， 一套鋼纜/鋼索可出於相同的目的附 接到管道工具的底部，例如圖10所示。還是如圖10所示，管道工具IOC包括框架組件12C,該框架組 件包括一對從連杆接頭42C向下伸出的連杆40C。連杆40C的下端通 過吊環71C連接並支撐。吊環71C滑動連接到扭矩框架72C上。從 圖10所示位置開始，吊環71C的頂面接觸扭矩框架72C上的外載荷 肩部。同樣，吊環71C起到與如上文參照圖8所述的提升缸192類似 的作用。當補償器178C設置在中間衝程位置，例如中衝程位置時， 吊環71C的頂面從圖10所示位置向下移動，與扭矩框架72C的外載 荷肩部脫離，從而允許補償器178C進行補償。在一個實施例中，當整個管柱提升時，補償器178C接觸到底並 且扭矩框架72C的外載荷肩部支撐在吊環71C的頂面上。在一個實施 例中，連杆接頭42C、連杆40C和吊環71C軸向固定到頂部驅動裝置 24C的輸出軸122C上。同樣，當扭矩框架72C上的外載荷肩部支撐 在吊環71C上時，補償器178C不能軸向移動，同樣不能補償。因此， 在一個實施例中，在管段裝配到管柱上的期間，補償器178C使扭矩 框架72C和管道工具10C上的頂部驅動裝置延伸軸118C向上提升， 直到補償器178C處於中間位置，例如中衝程位置。在這一運動期間， 扭矩框架72C與吊環71C軸向脫離。儘管沒有顯示，但圖2-5B所 示的管接合組件16可以以圖IO所示方式附接到其連杆40上。
儘管已經圖解說明和描述了本發明的幾種形式，但對本領域的普 通技術人員來說顯而易見的是，在不脫離本發明的精神和範圍的情況 下可以進行各種改型和改進。因此，本發明不限於此，而是受到所附 權利要求的限制。
權利要求
1.一種用於將管段聯接到管柱上的系統，包括具有輸出軸的頂部驅動裝置；和管道工具，其聯接到頂部驅動裝置上並能夠通過所述頂部驅動裝置的輸出軸旋轉，所述管道工具包括內部夾鉗，其用於插入到管段內徑中並且包括錐形卡瓦錐部，所述錐形卡瓦錐部滑動接收多個卡瓦的相應錐形表面，使得卡瓦上的豎向力造成卡瓦徑向向外移動以與管段內徑形成夾緊接合；並且其中，施加到卡瓦上的豎向力足以使卡瓦與管段內徑的夾緊接合將來自於頂部驅動裝置輸出軸的扭矩傳遞給管段。
2. 如權利要求l所述的系統，其中，卡瓦缸給所述多個卡瓦中的 每一卡瓦施加豎向力。
3. 如權利要求l所述的系統，其中，所述卡瓦缸包括頭部、杆部 和附接到所述杆部上的多個爪，其中每個爪附接到相應的一個卡瓦上。
4. 如權利要求l所述的系統，其中，所述內部夾鉗包括位於其下 端上的錐形對扣錐體和附接到位於卡瓦錐形部分和對扣錐體之間的內 部夾鉗上的膨脹型封隔器，所述對扣錐體有利於內部夾鉗插入管段中， 並且其中，所述膨脹型封隔器在膨脹型封隔器充氣時與管段內徑形成密封。
5. 如權利要求l所述的系統，其中，所述卡瓦錐形部分包括由徑 向向內臺階隔開的第一錐形部分和第二錐形部分，並且其中，所述多 個卡瓦中的每一卡瓦包括由徑向向內臺階隔開的第一錐形部分和第二 錐形部分。
6. 如權利要求l所述的系統，其中，所述管道工具能夠相對於頂 部驅動裝置豎向移動。
7. 如權利要求l所述的系統，其中，所述管道工具包括用於使管 段相對於頂部驅動裝置豎向移動的補償器。
8. 如權利要求l所述的系統，其中，所述管道工具包括用於控制管段螺紋端上的載荷的補償器。
9. 如權利要求8所述的系統，其中，所述補償器以預定量加壓， 從而以預定量減小管段螺紋端上的栽荷。
10. 如權利要求l所述的系統，還包括鄰近內部夾鉗布置的管道 檢測器，其在檢測管段時對卡瓦施加豎向力。
11. 一種用於將管段聯接到管柱上的系統，包括 具有輸出軸的頂部驅動裝置；和管道工具，其聯接到頂部驅動裝置上並通過所述頂部驅動裝置的 輸出軸能夠旋轉，所述管道工具包括導向插頭本體，其用於插入管段內徑中並包括錐形卡瓦錐部， 所述錐形卡瓦錐部滑動接收多個卡瓦的相應錐形表面；卡瓦缸，其在卡瓦上施加向下力，從而導致卡瓦徑向向外移 動以與管段內徑形成夾緊接合，其中，卡瓦缸作用在卡瓦上的向下力 足以允許卡瓦與管段內徑的夾緊接合將來自於頂部驅動裝置輸出軸的 扭矩傳遞給管段。
12. 如權利要求11所述的系統，其中，所述卡瓦缸為單個缸，其 連接到所述多個卡瓦中的每一卡瓦上並對其施加向下力。
13. 如權利要求11所述的系統，還包括鄰近導向插頭本體布置的 管道檢測器，其在檢測管段時對卡瓦施加向下力。
14. 如權利要求11所述的系統，其中，所述卡瓦錐形部分包括由徑向向內臺階隔開的第一錐形部分和第二錐形部分，並且其中，所述多個卡瓦中的每一卡瓦包括由徑向向內臺階隔開的第一錐形部分和第 二錐形部分。
15. 如權利要求11所述的系統，其中，所述管道工具包括用於控 制管段螺紋端上的載荷的補償器。
16. —種用於將管段聯接到管柱上的系統，包括 具有輸出軸的頂部驅動裝置；和管道工具，其聯接到頂部驅動裝置上並通過所述頂部驅動裝置的 輸出軸能夠旋轉，所述管道工具包括管接合組件，其用於夾緊接合所述管段，從而足以將來自於頂部驅動裝置輸出軸的扭矩傳遞給管段；和補償器，其用於控制管段螺紋端上的載荷。
17. 如權利要求16所述的系統，其中，所述管接合組件夾緊接合 管段內徑。
18. 如權利要求16所述的系統，其中，所述管接合組件夾緊接合 管段外徑。
全文摘要
一種用於將管段聯接到管柱上的系統，包括一具有輸出軸的頂部驅動裝置；和一管道工具，其聯接到頂部驅動裝置上並通過所述頂部驅動裝置的輸出軸旋轉。所述管道工具包括一內部夾鉗，其用於插入到管段內徑中並且包括錐形卡瓦錐部，所述錐形卡瓦錐部滑動接收多個卡瓦的相應錐形表面，使得卡瓦上的豎向力造成卡瓦徑向向外移動以與管段內徑形成夾緊接合；並且其中，施加到卡瓦上的豎向力足以使卡瓦與管段內徑的夾緊接合將來自於頂部驅動裝置輸出軸的扭矩傳遞給管段。
文檔編號E21B19/18GK101253305SQ200680029927
公開日2008年8月27日 申請日期2006年6月12日 優先權日2005年6月24日
發明者A·克裡南, B·L·艾登, D·朱哈茨, D·梅森, G·L·范維徹姆, G·博亞傑夫, H·J·D·博特格, H·M·坎普霍斯特, H·范賴津根 申請人:瓦克I/P公司