用於以連續的工具旋轉和連續的鑽井液供應來鑽井的設備和方法

2023-10-05 08:43:24 2

專利名稱：用於以連續的工具旋轉和連續的鑽井液供應來鑽井的設備和方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在地下結構中形成井眼的鑽機(drilling rig)的設備,其中，鑽機包括第一頂部從動鑽井機(driven drilling machine),第一頂部從動鑽井機被設置成可沿導軌豎直地移位，更具體地，其中在第一鑽井機與井眼之間設置有第二鑽井機。第二鑽井機可沿導軌豎直地移位，並設有旋轉臺，其被設置成能夠承受管柱的重量；旋轉驅動單元，其被設置成用於使管柱連續旋轉；流體室，由於流體室設有管柱埠，管柱埠包括被設置成以流體密封的方式封閉管柱埠的裝置，故流體室被設置成將管柱端部與鑽井液站連接；以及動力鉗，由於動力鉗設置在流體室中，故動力鉗被設置成用於連接到管柱的元件的連續旋轉。還描述了用於以連續的工具旋轉以及連續的鑽井液供應來鑽井的方法。
背景技術：
在地下鑽井期間，例如在與油氣勘探相關的勘探和開採鑽井中，隨著孔的延伸，新的鑽杆段被穩定地聯結。在每個這樣的操作中，管柱的旋轉被停止，而且在正在使用的大多數技術中，在管柱延伸時，鑽井液的循環同時停止。旋轉和鑽井液循環中的這種中斷的缺陷在業內是公知的。將巖屑運出井(的操作)被停止，巖屑將由此開始下沉，並且巖屑可沉積在水平井眼部。由於在重新開始鑽井操作之前，鑽井液必須循環一些時間以清潔井眼，所以這會帶來時間損失。當管柱停止旋轉時，由於下沉巖屑的匯集，而且所要克服的地層壁的摩擦力因井眼與井眼周圍的地層之間的壓力差而增大，管柱被卡在井眼中的風險也增大。另一缺陷是，鑽井液循環的停止導致鑽井液中的壓力發生變化，如果壓力超過臨界極限值，地層流體就會進入井眼內，或者鑽井液可洩漏到地層內，而這兩種情形都是不期望發生的。從N0326427知曉一種用於頂部驅動器的設備，其中，驅動軸設置成可釋放地連接到驅動齒輪，並且第一鑽杆的第一端部設有貫通的中心行程，其設置成在鑽井液站與鑽杆中行進的流體之間實現流體連通。第一、第二可釋放的驅動軸或管柱分別包圍壓力密封件以及一閥(該閥被設置用於在打開位置為鑽杆或驅動軸提供一條通道)，形成第一室和第二室。第二室分配有鑽井液入口，且該鑽井液入口設置成在鑽井液站與聯結外殼之間形成流體連通。由此提供一種連續的鑽井液循環的可能性，但在安裝新鑽杆段時鑽柱不得不停止旋轉。GB2399112描述了在鑽井期間用於連接管部件而不停止鑽柱的旋轉或流體通過管柱的循環的方法和裝備。這是通過頂部驅動器與旋轉臺之間的協作實現的。聯結到管部件上的螺紋部的流體循環設備在頂部驅動器與管柱分離時用於進行流體循環。US6412554描述了供流體在管柱(例如盤繞管路或由螺接在一起的管段組成的管柱)中來回進行連續循環的系統。該系統包括上室和下室，上室和下室具有用於接納管柱的貫穿開口 ；而密封裝置設置在上、下開口處，並設置成繞管柱緊密地配合。該系統還包括用於使管柱或管部件相對於上室和下室旋轉並軸向位移的設備。

發明內容
本發明的目的是彌補或減少現有技術中的至少一個缺陷，或者至少對現有技術提供有效的替換方案。上述目的通過以下說明書和隨後權利要求書所公開的特徵實現。提供一種用於鑽機的設備，該設備能夠既用於管柱的連續旋轉，也用於鑽井液的連續循環，使得井的一部分的鑽探操作能夠不間斷地進行。本發明將能夠有助於在建立井眼期間增大生產率。利用了設置在鑽臺之上並與鑽臺的中心軸線軸向一致的兩個鑽井機；上部的第一鑽井機根據現有技術為頂部驅動器，並執行包括管柱旋轉、向管柱供應鑽井液、管柱的軸向位移以及還有在聯結管柱期間鑽杆段相對於鑽柱的旋轉的基本鑽井操作；下部的第二鑽井機則除了能夠將鑽井液供應到管柱之外，還設有被設置成能夠懸掛管柱同時旋轉管柱的裝置。這兩個鑽井機包括被設置用於在從鑽臺或類似位置向上延伸的井架中沿導軌進 行豎直和獨立的位移的裝置。這些鑽井機可連接到同一組導軌。第一鑽井機具有向下延伸的驅動軸，該驅動軸出於實踐目的通常設有驅動軸延伸部。在進一步的描述中，術語「驅動軸」涵蓋任何時間使用的驅動軸，無論其實際上藉助可釋放單元實體地延伸，還是驅動軸被設置成一個元件。在驅動軸延伸部被明確地表達的情況下，使用術語「驅動軸延伸部」。第二鑽井機設有中心貫穿的開口，並包括被設置用於連續旋轉管柱的旋轉臺，而且設有用於例如以所謂的「動力卡瓦」的形式來懸掛管柱的裝置。在旋轉臺之上設有旋轉驅動單元，旋轉驅動單元被設置成能夠可釋放地連接到管柱的一部分。被設置用於連續旋轉的動力鉗放置在旋轉驅動單元之上，並設置在流體室內。流體室設有上埠、下埠，由於這兩個埠設有壓力密封件，這些壓力密封件設置用以在管柱或管柱段的周圍緊密地封閉，所以上埠、下埠與管柱軸線一致並設置用於通過鑽杆進行供給。上埠額外設有截止閥；該截止閥被設置成能夠關閉所述埠，並且在打開位置能夠貫穿管柱段進行供給。流體室設有被設置成供應加壓鑽井液並且還從流體室排放流體的裝置。流體室有利地設有通風裝置，該通風裝置被設置成引導空氣或其他氣體進入或離開流體室。鑽井操作按以下方式進行a)第一鑽井機使管柱旋轉，並按本身公知的方式將鑽井液供應到管柱中的中心開口，直到必須以新管段來延伸管柱為止。管段被懸掛在旋轉臺中。第一鑽井機驅動軸的一部分，或者可能地驅動軸延伸部(以下為了簡單稱為「驅動軸」)向下延伸到流體室內，並被動力鉗包圍。壓力密封件包圍管柱和驅動軸。b)在調整旋轉驅動單元的旋轉速度以對應於管柱的旋轉速度之後，在管柱旋轉的同時，旋轉驅動單元和管柱被聯結。此後，第一鑽井機可脫離，因為現在管柱的旋轉由下部的鑽井機負責。c)在調整動力鉗的旋轉速度以對應於管柱的旋轉速度之後，這使得驅動軸接合。壓力密封件開始起作用。d)通過使旋轉驅動單元和動力鉗同步操作，隨著流體室同時被加壓，驅動軸和管柱之間的螺紋連接被斷開。因為鑽井液能夠從流體室流入管柱內，所以關閉對第一鑽井機的鑽井液供應。e)驅動軸與動力鉗脫離，並且在第一鑽井機的豎直位移中，驅動軸從截止閥被拉出，該截止閥在上壓力密封件起作用以及驅動軸從流體室的上埠被拉出之前被關閉。f)管柱的旋轉和豎直位移以及鑽井液的供應藉助下部的鑽井機被維持，同時新的管柱段被連接到第一鑽井機的驅動軸。g)管柱段被引入上流體室埠內。壓力密封件起作用。截止閥被打開；而且管柱段向下被移位到流體室內，以在動力鉗中固定；動力鉗用於隨著通過第一鑽井機的鑽井液供應開始,而通過流體室的鑽井液供應停止，同時在旋轉驅動單元與動力鉗的旋轉的同步操作中與管柱連接。h)隨著下部的鑽井機的旋轉驅動單元與管柱脫離，由第一鑽井機維持旋轉、豎直 位移及鑽井液供應，流體室被排空而且壓力密封件不起作用。i)重複上述的操作a)至操作h),直到完成鑽井操作為止。在第一方案中，本發明更具體地涉及隨附權利要求I中所述的特徵。可選實施例則陳述於隨附權利要求2-9中。在第二方案中，本發明更具體地涉及隨附權利要求10中所述的特徵。在第三方案中，本發明涉及包圍動力鉗的可封閉流體室的使用，其利用設有旋轉臺的鑽井機向管柱供應鑽井液。


以下描述附圖中示出的優選實施例的示例，附圖中圖I示出一個鑽機的側視圖，該鑽機包括兩個協同操作的鑽井機，其中，下部鑽井機是分段式的；圖2示意性地以較小比例示出連接到鑽井機的鑽井液站；圖3至圖7示出連續鑽井操作的不同步驟的側視圖，以箭頭和黑實線來表示正在起作用的單元以及流動的鑽井液；其中圖3示出正在藉助下部鑽井機進行操作的管柱，並且管柱段已準備好連接到第一鑽井機；圖4示出管柱段連接到第一鑽井機並被引入流體室的上埠內，而且被埠的壓力密封件密封地包圍；圖5示出管柱段被引導通過流體室的截止閥，而且連接到被設定成旋轉的動力甜；圖6示出管柱段與動力鉗脫離，並連接到現在與旋轉臺脫離而由第一鑽井機驅動的管柱，同時流體室排盡鑽井液；以及圖7示出由第一鑽井機驅動並相對於下部鑽井機而自由旋轉的管柱。
具體實施例方式在圖中，附圖標記「I」表示本身公知的頂部驅動器，以下也稱為第一鑽井機。第一鑽井機按照正常方式設有驅動軸11、驅動軸延伸部12和鑽井液入口 13，並附接到鑽機井架2，而且可沿導軌21在豎直方向上移位。鑽井機I相對於井眼6的中心軸線62設置在中心。
在第一鑽井機I與井眼6之間設置有第二鑽井機3 ;第二鑽井機附接到第二鑽機井架4，並可沿導軌41在豎直方向上移位。管柱5在井眼6中向下延伸(見圖2)，並由多個管柱段52組成，管柱段可與管柱5的端部51螺紋連接。管柱段52包括驅動管521，驅動管521設有一部分521a，部分521a具有被設置成可釋放地接合第二鑽井機3的多邊形橫截面。管柱5設有鑽頭53。井眼6從井口裝置61向下在地下結構63中延伸。鑽井機1、3以流體連通的方式連接到鑽井液站7，鑽井液站7包括鑽井液泵71 ；供應線路72，其設置成經由鑽井機1、3以及管柱5中的中心開口將加壓鑽井液引導到鑽頭
53;泵送路線73，其以流體連通的方式將鑽井液泵71與鑽井液儲槽74連接；以及返回線路75，其將井口裝置61和鑽井液儲槽74連接。供應線路72包括主要線路721，其設有第一截止閥723，第一截止閥723設置成以受控方式將鑽井液引導至第一鑽井機I ;以及次要線路722，其設有第二截止閥724，第二截止閥724設置成以受控方式將鑽井液引導至第二鑽井機3。排放線路76將第二鑽井機與鑽井液儲槽74連接。第二鑽井機3包括旋轉臺31，旋轉臺31設有動力卡瓦311，動力卡瓦311設置成使管柱5以本身公知的方式懸掛在旋轉臺31中。設置有連接到旋轉臺31的旋轉驅動單元32 ;旋轉驅動單元32設置成通過可釋放地附接到驅動管521的多邊形部分521a，而能夠在管柱被懸掛於旋轉臺31中時使管柱5繞其中心軸線旋轉。在旋轉臺31之上設置有動力鉗33，動力鉗33設置成用於連續旋轉。動力鉗33被封裝在流體室34中，流體室34分別設有上管柱埠 343和下管柱埠 341。管柱埠 341、343各自分別設有壓力密封件342、344 ；這些壓力密封件設置成通過包圍緊靠管柱5的一部分即管柱段53、或包圍緊靠第一鑽井機 的驅動軸延伸部12的一部分，來封閉管柱埠 341、343。流體室34與上壓力密封件344之間設置有截止閥345，截止閥345在打開位置被設置成用於引導管柱段52和所連接的驅動軸延伸部12的至少向下延伸的端部通過。流體室34還設有鑽井液入口 35，鑽井液入口 35與次要線路722處於流體連通的連接狀態。可封閉的流體室排放埠 351設置成能夠經由排放線路76，將流體室34 (中的流體)排放到鑽井液儲槽74。流體室通風裝置352設置在流體室34的上部，並設置成當流體室充滿或排空鑽井液時，能夠使流體室34流通空氣和其他氣體。旋轉臺31、旋轉驅動單元32、動力鉗33和流體室管柱埠 341、343形成有中心開口 36 ;中心開口 36延伸通過第二鑽井機3，並且相對於井眼6的中心軸線62被中心設置。當以根據本發明設置的鑽機來執行鑽井操作時，由於管柱5穿過第二鑽井機3的中心開口 36而延伸並相對於第二鑽井機3而自由地移動(見圖7)，所以管柱5在第一階段藉助第一鑽井機I而旋轉並移位。鑽井液經由第一鑽井機I的鑽井液入口 13而循環到鑽頭53，並經由環空54 (見圖2)、井口裝置61、返回線路75和為鑽井液的本身公知的處理所必需的處理裝置(圖中未示)而返回到鑽井液儲槽74。第二鑽井機3沿豎直方向移位到上部的開始位置。在設置於管柱5中的最上方的驅動管521被置於該驅動管的多邊形驅動管部分521a被第二鑽井機3的旋轉驅動單元32所包圍的情況下，此驅動管被設定成對應於管柱5而旋轉，並被引導與管柱5接合。管柱5藉助動力卡瓦311，以本身公知的方式懸掛在旋轉臺31中。動力鉗33設定成對應於管柱5而旋轉，並被引導與穿過動力鉗延伸的驅動軸延伸部12接合。隨著第一鑽井機I的驅動齒輪脫離，現在可通過第二鑽井機3來執行管柱的旋轉。在下一階段中，下壓力密封件342和上壓力密封件344以及流體室埠 351封閉，因為供應線路72的各截止閥724打開，所以鑽井液被供應到流體室34。藉助動力鉗33相對於旋轉驅動單元32的速度減小，驅動軸延伸部與管柱之間的連接斷開，鑽井液現在經由流體室34和打開的管柱端部51供應。當供應線路72中的各截止閥723關閉時，停止對第一鑽井機I的鑽井液供應。此時管柱的旋轉和管柱5的位移由第二鑽井機3執行。由於一旦驅動軸延伸部12被拉出截止閥345的中心行程(central run),第二鑽井機3的截止閥345就關閉，所以第一鑽井機I現在被移位而遠離第二鑽井機3，同時上壓力密封件344仍然圍繞驅動軸延伸部12密封地封閉壓力。此後，上壓力密封件344被拉回，而且驅動軸延伸部12被拉離第二鑽井機3，以連接到下一管柱段52 (見圖3)。 第一鑽井機I朝向第二鑽井機3移位，直到管柱段52的下端部被上壓力密封件344包圍為止；隨後上壓力密封件344起作用，以圍繞管柱段52密封地封閉壓力(見圖4)。此後打開截止閥345,第一鑽井機I和動力鉗33被設定成對應於管柱5旋轉。打開對第一鑽井機I的鑽井液供應(見圖5)。隨著第一鑽井機I的驅動齒輪脫離，而且管柱段52朝向管柱5的端部51移位並連接到管柱5，動力鉗33的旋轉速度相對於旋轉驅動單元32而增大。關閉各截止閥724，停止對流體室34的鑽井液供應。隨著在操作中第一鑽井機I被設定，旋轉驅動單元32、動力鉗33和動力卡瓦311與延伸的管柱5脫離。流體室34通過流體室排放埠 351和排放線路76來排空鑽井液，壓力密封件342、344脫離其緊靠管柱5的壓力密封狀態。上述過程重複進行，直到鑽頭到達期望的位置為止。對本領域技術人員而言顯而易見的是，提供具有相關的監視和操作裝置的根據本發明的鑽機，以同步上述各種操作。
權利要求
1.一種用於在地下結構(63)中形成井眼(6)的鑽機的設備，其中，所述鑽機包括第一頂部從動鑽井機(1)，其設置成能夠沿導軌(21)豎直地移位；以及第二鑽井機(3)，其設置在所述第一鑽井機(I)與所述井眼之間，能夠沿導軌(41)豎直地移位，並設有被設置成能夠承受管柱(5)的重量的旋轉臺(31)、被設置成用於使管柱(5)連續旋轉的旋轉驅動單元(32)、以及被設置成能夠以流體連通的方式將管柱端部(51)與鑽井液站(7)連接的流體室(34)，所述流體室(34)設有多個管柱埠(341、343)，所述管柱埠包括被設置成能夠以流體密封的方式封閉所述管柱埠(341、343)的裝置(342、344、345)，其特徵在於，所述第二鑽井機還設有被設置成能夠使元件(12、51)與所述管柱(5)連接/分離的動力鉗(33)，所述動力鉗(33)設置在所述流體室(34)中。
2.根據權利要求I所述的設備，所述管柱埠(341、343)設有壓力密封件(342、344)，所述壓力密封件設置成能夠以流體密封的方式包圍所述管柱(5)的一部分、管柱段(52)、或被連接到所述第一鑽井機(I)的驅動軸(12)。
3.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述上管柱埠(343)設有截止閥(345)，所述截止閥設置在上壓力密封件(344)與所述流體室(34)之間。
4.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述鑽井液站(7)包括供應線路(72)，所述供應線路設有被設置成能夠以流體連通的方式將鑽井液泵(71)與所述第一鑽井機(I)上的鑽井液入口(13)並與所述流體室(34)中的鑽井液入口(35)連接的裝置(721、722、723、724)。
5.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述流體室(34)設有與鑽井液儲槽(74)流體連通的可封閉的流體室排放埠( 351)。
6.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述流體室(34)設有可關閉的通風裝置(352)。
7.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述第一鑽井機(I)的所述導軌(21)被設置成遠離所述第二鑽井機(3)的所述導軌(41)。
8.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述第一鑽井機(I)的所述導軌(21)與所述第二鑽井機(3)的所述導軌(41) 一致。
9.根據權利要求I所述的設備，其特徵在於，所述管柱段(52)包括驅動管(521)，所述驅動管設有一具有多邊形橫截面外形的部分(521a)。
10.一種用於以連續的工具旋轉和連續的鑽井液供應來鑽井的方法，所述方法包括以下步驟 a)管柱(5)設有位於地下結構(63)中的井眼(6)內的鑽頭(53);所述管柱被連接到第一頂部從動鑽井機(I)上的驅動軸(11)，並被引導穿過第二鑽井機(3)上的中心開口(36)，在鑽井液經由所述第一鑽井機(I)上的鑽井液入口(13)被供應到所述鑽頭(53)的同時，所述管柱被旋轉並沿所述井眼(6)的軸向被向外移位； b)連接到所述第二鑽井機(3)中的旋轉臺(31)的旋轉驅動單元(32)被設定成以與所述管柱(5)的旋轉對應的速度旋轉； c)所述旋轉驅動單元(32)被引導成與所述旋轉管柱(5)的上方部分(521a)接合； d)在設置於所述旋轉臺(31)與所述第一鑽井機(I)之間的流體室(34)中的管柱埠(341、343)內形成的可封閉的壓力密封件(342、344)被引導成，分別緊靠所述管柱(5)的一部分或緊靠所述驅動軸(11)的一部分形成壓力密封； 其特徵在於 e)設置在所述流體室(34)中的動力鉗(33)被設定成以與所述驅動軸(11)的旋轉對應的速度旋轉； f)所述動力鉗被引導成與所述驅動軸(11)的一部分接合； g)通過減小所述動力鉗(33)相對於所述旋轉臺(31)的旋轉速度，所述驅動軸與所述管柱(5)脫離；同時，隨著鑽井液站(7)與所述鑽頭(53)之間經由所述流體室(34)和開放的上管柱端部(51)而建立起流體連通的連接，繼之停止對所述第一鑽井機(I)的鑽井液供應； h )所述驅動軸(11)被移位到所述流體室(34 )之外，隨著所述截止閥(345 )關閉，且上壓力密封件(344)從緊靠所述驅動軸(11)脫離，所述第一鑽井機(I)被移位而遠離所述第二鑽井機(3)； i )管柱段(52)被連接到所述第一鑽井機(I)的所述驅動軸(11)，並且被移位到所述流體室(34)內，所述上壓力密封件(344)被引導成緊靠所述管柱段(52)，而且所述截止閥(345 )被打開； j)所述動力鉗(33)被引導成與所述管柱段(52)的一部分接合，並且在所述管柱段(52)上提供大於所述管柱(5)的旋轉速度的旋轉速度； k)所述動力鉗(33 )朝向所述管柱(5 )被移位，並且將所述管柱段(52 )與所述管柱(5 )連接，對所述弟一鑽井機(I)的鑽井液供應被建立，此後對所述流體室(34)的鑽井液供應被停止； I)所述第一鑽井機(I)恢復所述鑽柱(5)的旋轉和豎直位移，所述流體室(34)通過排放埠(351)排出流體到鑽井液儲槽(74)，此後所述壓力密封件從緊靠所述管柱(5)脫離；以及 m)重複步驟b)至步驟I)。
11.一種包圍動力鉗(33)的可封閉的流體室(34)的應用，在利用設有旋轉臺(31)的鑽井機(3)時向管柱(5)供應鑽井液。
全文摘要
描述了用於在地下結構(63)中形成井眼(6)的鑽機的設備，其中鑽機包括設置成可沿導軌(21)豎直移位的第一頂部從動鑽井機(1)；而第二鑽井機(3)設置在第一鑽井機(1)與井眼(6)之間，可沿導軌(41)豎直移位，並設有被設置成能夠承受管柱(5)的重量的旋轉臺(31)、被設置成使管柱(5)連續旋轉的旋轉驅動單元(32)、流體室(34)以及動力鉗(33)；由於流體室(34)設有管柱埠(341、343)，管柱埠包括被設置成能夠以流體密封的方式封閉管柱埠(341、343)的裝置(342、344、345)，流體室(34)被設置成能夠以流體連通的方式將管柱端部(51)與鑽井液站(7)連接；由於動力鉗(33)設置在流體室(34)中，動力鉗被設置成連續旋轉連接到管柱(5)的元件(12、52)。還描述了以連續的工具旋轉和連續的鑽井液供應鑽井的方法。
文檔編號E21B7/00GK102803643SQ201180007165
公開日2012年11月28日 申請日期2011年1月25日 優先權日2010年1月26日
發明者黑爾格·克龍, 馬斯·格蘭若德, 奧德·B·斯凱爾塞特 申請人:西部鑽探產品有限公司