具有柔性构件的管段引导系统 |
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| 申请号 | CN200980138749.X | 申请日 | 2009-09-30 | 公开(公告)号 | CN102171409A | 公开(公告)日 | 2011-08-31 |
| 申请人 | 国民油井华高有限公司; | 发明人 | 雅罗斯拉夫·别利克; | ||||
| 摘要 | 一种管操纵系统，其包括：起吊机构，该起吊机构在管的自由端上方联接到该管的上端；以及引导系统，该引导系统能够操作成当所述管在存放 位置 和井中心位置之间移动时与所述管接合并控制所述管的横向移动，该引导系统包括：一对 支撑 构件，该一对支撑构件包括可伸展端部；和柔性的管引导器，该柔性的管引导器联接在所述可伸展端部之间。在一些 实施例 中，该引导系统包括：一对可旋转的支撑臂，所述一对可旋转的支撑臂具有第一枢转端和第二端；和可展开的管引导器，所述可展开的管引导器连接所述第二端。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种管操纵系统，包括： |
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| 说明书全文 | 具有柔性构件的管段引导系统背景技术[0001] 本公开总体上涉及用于钻探地下井的方法和设备。更具体地，本发明涉及使用若干节可连接管来钻探地下井的系统。 [0002] 钻机需要将管状构件(例如钻管、钻铤和套管)以分段方式添加到井下管柱上或者从该井下管柱上拆除。各段管状构件可以存放在位于钻机附近或钻机上的立根盒区域内。各段管状构件例如包括联接在一起的三节管，并且该钻机被称为三根钻机。在其他实例中，所述管段可以包括更多或更少的管节，且对应的钻机可被称为四根钻机、双根钻机或单根钻机。这些管状构件可以竖直存放在钻机附近，或者水平存放在远离钻机处，这些管状构件从该处运输到钻机，然后朝着竖直位置倾斜。 [0003] 当需要不同的管状构件时，将这些管状构件每次一个地搬运到钻台上，然后再加到钻柱上。利用绞车或钻机内的其他起吊机械操纵(handle)这些管状构件一直是件非常耗费人力的工作。钻机内使用的自动系统必须能够安全操纵多种管状构件，同时又不会拖延钻井或起下钻过程。 [0004] 因此，仍然需要开发用于管操纵系统和钻井系统的方法和设备，该方法和设备在提供更多有利的总体效果的同时克服了一部分上述问题。 发明内容[0005] 管操纵系统包括管引导系统，该管引导系统具有柔性的管引导器，该引导器能够操作为当管在存放位置和井中心位置之间移动时与该管接合并控制该管的横向移动。在一些实施例中，该管操纵系统包括与管的上端联接的起吊机构，并且所述引导系统包括：一对支撑构件，该对支撑构件具有可伸展端部；以及柔性的管引导器，该柔性的管引导器联接在所述可伸展端部之间。该柔性的管引导器能够在所述可伸展端部之间展开。该柔性的管引导器可包括在所述端部的伸展位置之间与所述管接合的展开位置。该柔性的管引导器可包括在所述端部完全收回时释放所述管的收缩位置。所述支撑构件的与所述可伸展端部相反的支撑端可围绕具有多个旋转轴线的枢转点旋转。该支撑构件可以是具有偏移旋转轴线的可旋转臂。 [0006] 在另外的实施例中，所述管操纵系统包括钻机结构，所述起吊机构和引导系统联接到该钻机结构。该管操纵系统还可包括：钻机结构的高架钻台(elevated drill floor)；立管器，该立管器能够操作成将管从水平存放位置移动到该管的上端与高架钻台邻近的倾斜位置，其中在该倾斜位置，管相对于水平方向和竖直方向成角度，并且该管的上端偏离井中心，并且其中，所述引导系统能够操作成在该管从由立管器支撑的倾斜位置向由钻机支撑的竖直位置移动时，接合该管并控制该管的朝着井中心的横向移动，所述支撑构件伸展而使所述柔性的引导器展开并在倾斜位置和竖直位置之间与所述管接合，并且，所述支撑构件收回而使所述柔性的引导器收缩并在竖直位置释放所述管。 [0007] 在另外的实施例中，管操纵系统包括：起吊机构，该起吊机构在管的自由端上方联接到该管的上端；以及引导系统，该引导系统能够操作成当所述管在存放位置和井中心位置之间移动时与该管接合并控制该管的横向移动，该引导系统包括：一对可旋转的支撑臂，该支撑臂具有第一枢转端和第二端；以及可展开的管引导器，该可展开的管引导器将所述第二端连接。每个所述枢转端均可包括具有旋转轴线的枢转点。所述旋转轴线可以是不同的。所述旋转轴线可以相对于彼此成角度。所述旋转轴线可以是偏移的。所述可展开的管引导器可包括具有滚子组件的缆索。所述管操纵系统还可以包括驱动机构，以使所述一对臂围绕枢转端旋转。还可以包括用来支撑所述枢转端的框架。该框架可包括以偏移角度支撑所述枢转端的弯板。所述臂可包括成角度的杆和中间弯曲部。 [0008] 在一些实施例中，管操纵方法包括：利用起吊机构来支撑管的上端；将柔性的管引导器伸展；以及将该管与伸展的所述柔性的管引导器接合，以控制该管的横向移动。该方法可包括：使柔性的管引导器展开以接合所述管；以及使柔性的管引导器收缩以释放所述管。该方法可包括：通过使管引导器支撑臂收回并使该支撑臂之间的柔性的管引导器收缩，将所述管从存放位置朝着井中心位置移动。该方法可包括：通过使管引导器支撑臂伸展并使该支撑臂之间的所述柔性的管引导器展开，将所述管从井中心位置朝着存放位置移动。该方法可包括：使所述柔性的管引导器收回和收缩；将所述管与由钻机支撑的钻柱对齐；使所述管与所述柔性的管引导器脱离；以及，将所述管与所述钻柱接合。 [0009] 因此，本文的实施例包括一些特征和优点的组合，这些特征和优点允许显著改善管及其他管状构件靠近或远离钻机的往返移动。对于本领域的技术人员来说，通过阅读以下具体实施方式并参考附图，本发明的这些及各种其他特性和优点将显而易见。 附图说明[0010] 为了更详细地描述本公开的实施例，现在将结合附图进行描述，其中： [0011] 图1是钻井系统的立视图，该钻井系统具有根据本发明所述原理的管引导系统的实施例； [0012] 图2A是图1的管引导系统的放大侧视图； [0013] 图2B是图2A的管引导系统的正视图； [0014] 图3A是图2A的管引导系统的驱动机构的放大图； [0015] 图3B是图3A的驱动机构的正视图； [0016] 图3C是图3A的驱动机构的俯视图； [0017] 图4A是驱动机构的可替代实施例的侧视图； [0018] 图4B是图4A的驱动机构的正视图； [0019] 图5A是图1的管引导系统的一对引导臂的立视图； [0020] 图5B是图5A的引导臂之一的放大俯视图； [0021] 图5C是图5B的引导臂的侧视图； [0022] 图6是图1的管引导系统的柔性引导构件和滚子组件的立视图； [0023] 图7A至图7H示出了使用图1的钻井系统的操作过程； [0024] 图8A是图7D的放大图，示出了管引导系统的运动范围； [0025] 图8B是图8A的俯视图； [0026] 图8C是设置在组装完毕的钻台上的、图8A和8B的钻井系统的俯视图； [0027] 图9是具有立管器的示例性钻井系统的立视图；并且 [0028] 图10至图12是立管器的放大图，该立管器将管段从水平位置朝着钻机结构移动至倾斜位置。 具体实施方式[0029] 在以下附图和描述中，相同的部件通常在整个说明书和附图中由相同的附图标记表示。附图不必按比例绘制。本公开的某些特征能够以放大的比例或稍微示意性的形式示出，并且，为了清楚和简洁起见，常规元件的某些细节可能未示出。本公开允许不同形式的实施例。虽然在附图中详细描述和示出了具体实施例，但应当理解，本公开应被视为本发明原理的例证，而非旨在将本发明局限于本文所例示和描述的内容。应当充分认识到，下文讨论的实施例的不同教导可以单独地或以任何适当的组合来采用，以产生期望的结果。 [0030] 除非另外指明，所使用的任何形式的术语“连接”、“接合”、“联接”、“附接”或者描述若干元件之间的相互作用的任何其他术语并非意图将这种相互作用限制为所述元件之间的直接相互作用，而是也可以包括所述元件之间的间接相互作用。本文所使用的“管”或“钻管”应当理解为包括套管、钻铤和其他油田及井下管材。在以下的讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，因而应被解释为表示“包括但不限于…”。对于本领域的技术人员而言，通过阅读以下对实施例的详细描述并参照附图，上述各种特性以及下文中更详细描述的其他特征及特性将显而易见。 [0031] 首先参见图1，钻井系统10包括钻机结构12，该钻机结构12具有钻台14以及桅架或井架16。钻柱18延伸穿过钻台14。一系列管节段20或其他管状构件从钻台14上的钻柱立根，正准备添加到钻柱18。在示例性实施例中，三节管节段20包括三根连接的管节。在其他示例性实施例中，这些管节段包括两个或四个管节。在钻台14上，邻近钻柱18处设置有扶正系统22。在示例性实施例中，扶正系统22可以是如下的组合式单元：其包括卡瓦、管润滑器、泥浆回收盒和用于对管节进行组装或拆卸的其他系统。扭矩管24或其他支撑结构从顶部驱动系统(在本文中的其他地方示出)向下延伸。管引导系统30连接到管24，并且包括一个臂32或一对臂32、驱动机构34、柔性缆绳或缆索36、以及滚子组件38。在示例性实施例中，该管引导系统连接到桅架或井架16。 [0032] 现在参见图2A，示出了管引导系统30的侧视图。驱动机构34包括与管24连接的支撑框架40。支撑框架40在枢转点42处连接到臂32。支撑框架40支撑液压缸44，该液压缸44在与臂32的末端附接的臂杆48的末端处连接到枢转点46。臂32的相反的另一端连接到缆索36和滚子组件38。 [0033] 接下来参见图2B，示出了管引导系统30的正视图。所述一对臂32中的每一个均包括中间弯曲部50，该中间弯曲部50将上臂52和下臂54分开。臂32上端处的臂毂56提供用于将臂32可移动地连接到支撑框架40的枢转点42。臂32下端处的缆索孔55接纳缆索36，该缆索36还在缆索孔62处附接到滚子组件38。滚子组件38还包括对滚子58可旋转地支撑的弯轴或V形轴60。 [0034] 参见图3A至图3C，示出了驱动和枢转臂支撑机构34的放大图。如图3A的侧视图所示，臂32经由在枢转点42处穿过框架板插入的销43联接到支撑框架40。臂杆48在枢转点46处可枢转地联接到活塞杆49，并且，液压缸44提供了用于上下移动活塞杆49以在臂32内产生杠杆作用的致动力。如图3B所示，具有顶板41的框架40利用穿过框架40和臂毂56的销43来可枢转地支撑臂32。 [0035] 现在参见图3C，示出了机构34的俯视图。框架40包括中间直板64和以一定角度从板64的两个相反侧延伸的一对弯板66。这些弯板经由枢转接头42和毂56联接到臂32并支撑臂32。此外，从毂56伸出并与枢转接头46连接的臂杆48还包括弯曲部，如图所示。成角度板或弯板66以及臂杆48有助于提供缆索36的伸长或张紧作用以接纳管段，下文将更全面地说明这一点。 [0036] 在示例性实施例中，如图4A和4B所示，机构34被替换为机构134。在图4A中，机构134的侧视图示出了：液压缸144向与连结组件118联接的活塞杆149提供致动力。连结组件118可枢转且可旋转地联接到杆114的球形端部112。杆114的另一端116还包括球形构件，用于在枢转点146(相当于图3A和图3C的枢转点46)处可枢转且可旋转地连接到臂杆148(相当于图3A和3C的臂杆48)。杆114末端处的球形接头为在驱动机构和可延伸引导臂之间的移动提供了额外的自由度，从而更有利于两个引导臂的下端在向管节20延伸时相对分离。如下文将进一步描述的，该引导臂下端的彼此远离的移动导致缆索纵向伸长或张紧，从而所述滚子组件将接纳管段。 [0037] 接下来参见图5A至图5C，示出了引导臂32的不同视图。在图5A中，一对臂32包括由弯曲部50分开的上臂52和下臂54。在图5B(俯视图)和5C(侧视图)中，臂32还包括具有缆索孔55的最下端以及具有毂56和臂杆48的最上端。 [0038] 参见图6，滚子组件38包括弯曲支撑轴60、滚子58和用于连接到缆索36的缆索孔62。 [0039] 在操作中，管引导系统30提供了一种自动方式，用于在管节段和其他油田管材围绕钻台移动时对这些管段和管材进行操纵和引导。现在参见图1和图7A至图8D，示出了不同的操作阶段。在图1和图7A中，一组三节管段20存放在立根盒区域或储存区域23中，从而准备与钻柱18组装。管段20包括第一管节27、第二管节29和第三管节31。扶正系统22和管引导系统30处于收回位置。如上所述，扶正系统22可以是如下的组合式单元：其包括卡瓦、管螺纹润滑器、泥浆回收盒和用于对管节进行组装或拆卸的其他系统。管引导系统30的驱动机构34被释放，以允许臂32、缆索36和滚子组件38悬垂在向下位置。如图 2B所示，臂32向下悬垂，从而使缆索36围绕滚子组件38处于松弛或收缩位置。钻机结构 16的上部支撑顶部驱动系统82，该顶部驱动系统82包括管升降器84。 [0040] 接下来参见图7B，通过致动该液压缸74或其他驱动机构并使支撑臂70、72枢转，扶正系统22伸展到钻柱18上方的位置。另外，驱动机构34被致动，且液压缸44使臂32围绕枢转点42枢转。再回头参见图3A至图3C，液压缸44被致动以使活塞杆49收回，并且液压缸44在臂杆48的末端及枢转接头46上施加向下的力。臂杆48在枢转点42处围绕销43旋转，从而将旋转力传递至臂32并使臂32延伸至图7B所示的位置。 [0041] 现在参见图8A和8B，图7B的伸展位置也对应于位置57a(其中，随着臂32的末端55彼此远离地移动，臂32的旋转使缆索36伸长并张紧)。在臂32通过所述支撑框架40的成角度板66、从图7A的位置移动至图7B的位置的同时，所述末端55彼此远离地移动。该成角度的支撑板与成角度的臂杆48及弯曲部50(也参见图5A和图5B)一起使末端55随着臂32向外延伸而彼此远离地移动，并且末端55随着臂32被朝着竖直布局拉回而朝向彼此移动。通过如图4A和4B所示的球形连接组件，也可便于使缆索36伸长。 [0042] 现在参见图7C，顶部驱动组件的管升降器拾取单根管段21。当管段21朝向钻柱18处的井中心以及伸展的扶正系统22移动时，管段21往往会摆动，其摆动常常不可控，并且会给钻机工作人员和设备带来危险。如图所示，当管段21开始朝向井中心移动时，管引导系统30接合或钩住管段21。滚子组件38捕获并稳定住该管段21。如果管段21在与引导系统30接合时与滚子组件38未对齐，则缆索36将朝向滚子组件38引导该移动的管段 21。在一些实施例中，当管段21向引导系统30中摆动时，缆索36内的松弛和臂32内的弯曲为管段提供了缓冲。然而，可能在引导系统30内产生回弹的作用力。当管段21冲击该引导系统30时，在与液压缸44联接的液压流体系统中会形成液压峰值，从而造成回弹。在一个示例性实施例中，驱动机构34内设置有泄压阀，并且该泄压阀连接到液压缸44，以减轻液压并吸收摆动的管段21的冲击。 [0043] 现在参见图7D，驱动机构34被致动，以使引导系统30可控地收回，从而使臂32经过一系列位置57，即，从伸展接纳位置57a至完全收回位置57j。引导系统30的可控收回使管段21到达钻柱18上方的井中心处并由扶正系统22夹持。 [0044] 简单地参见图8A至图8C，更详细地示出了引导系统30的一系列位置57。在位置57a处，驱动机构34已将臂32伸展，并且臂32的末端已彼此远离，从而在滚子组件38的每一侧将缆索36拉紧。如上所述，由于臂32的枢转点并不具有相同的轴线或具有平行的轴线，而是具有彼此成角度的旋转轴线，因此当臂伸展时，臂32的末端相对于彼此远离地移动。在回头参见图3C，框架40的板66支撑一对销43，这一对销43相对于中心板64成角度并且相对于彼此成角度。销43的偏移纵向轴线为枢转点42提供了偏移旋转轴线，臂32围绕该偏移旋转轴线旋转。因此，当液压缸44和活塞杆49牵拉臂杆48时，臂32围绕偏移轴线或成角度的轴线旋转，从而，随着臂32水平地向外伸展，臂32的末端从彼此接近的位置(此时臂32被竖直布置)移动到彼此离开的位置。成角度的臂杆48和弯曲部50也有利于臂32的末端的相对移动。此外，也可以设想出其他的用于提供臂末端的相对移动的装置，例如图4A和4B的驱动机构134。 [0045] 此外，在位置57a处，管段21被(例如图7H所示的)管升降器和顶部驱动系统从立根盒区域内的存放位置移动至缆索36和滚子组件38。摆动的管段21将如上所述地被接纳和引导至滚子组件38，同时还吸收了管段21的冲击。接下来，通过驱动机构34使臂32收回至位置57b。线条57记录了臂32的末端55在其经过上述位置时的运动。在位置57b处，末端55已经开始朝着彼此相向移动，缆索36已经松弛。此时，滚子58允许滚子组件沿着管段21竖直向下滚动。在位置57c和57d处，随着管段横向地朝着井中心位置59移动，末端55继续朝着彼此相向移动，从而使缆索36进一步松弛且滚子组件38进一步沿着管段21向下移动。在位置57e处，管段21位于井中心位置59，并且通过管引导系统30的可控收回而稳定于此处。在位置57f和57g处，滚子组件38与竖直布置且基本静止的管段21脱离。由于末端55朝着彼此的相对移动，缆索36继续松弛。在位置57h和57i处，臂32继续收回，并使滚子组件38和缆索36横向地朝着初始的收回位置57j移动。 [0046] 在示例性实施例中，缆索36为钢缆索。在其它实施例中，缆索36为一段弹性体材料，该材料在可伸展支撑臂32的末端55之间的展开和收缩距离范围内延展。弹性体缆绳36可以包括或不包括滚子组件38。在一些实施例中，弹性体缆绳36包括除了滚子组件38之外的、用于捕获管段21的接纳构件。在又一些实施例中，缆索36包括刚性构件。第一刚性构件连接在第一臂末端55和第一滚子组件缆索孔62之间，第二刚性构件连接在第二臂末端55和第二滚子组件缆索孔62之间。在55和62处的接头可以旋转，以允许整个可展开引导构件36的展开和收缩。在多个实施例中，引导构件36、38的柔韧性允许可伸展支撑臂32的末端55之间的展开和收缩。收回的臂32和收缩的引导构件36、38提供了空间上有效的、所存放管的引导系统。在伸展和展开时，臂32和引导构件36、38是柔韧的，以通过安全方式横向移动所述管段。 [0047] 参见图8C，管引导系统30布置在组装完毕的钻台14上，该钻台包括立根盒区域23、小鼠洞25、与引导系统30接合并由引导系统30置于井中心位置59的管段21、以及用于向管段21施加扭矩的铁钻工80。 [0048] 现在，回头参照结合了管引导系统30的钻台的操作，图7E示出了通过升降器使管段21定中，并通过扶正系统22将管段21的下端扶正。在一些实施例中，其中扶正系统22是组合式单元，可操作地联接到该扶正系统22的润滑器可以被致动，以润滑该管段21和/或钻柱18上的管螺纹。在图7F中，该扶正系统或组合式单元22收回，以使相连的管段21可用于接纳铁钻工80。在图7G中，铁钻工80移动至管段21与钻柱18之间的连接部附近。铁钻工80接合并旋转该管段21，以施加扭矩将该管段与钻柱18上紧。此时，管段21成为钻柱18的一部分。如图7H所示，具有升降器84的顶部驱动系统82使钻柱18向下移动至该钻柱18可以接纳另一个管段的位置。在一个示例性实施例中，组合式单元22可包括用于在此时与钻柱18接合的卡瓦系统86。在示例性实施例中，组合式单元22也可包括泥浆回收盒，该泥浆回收盒用于在管段从钻柱18上拆下时包围所述连接部并接纳泥浆。 [0049] 也可以使用刚刚描述过的这些步骤的各种组合来执行另外的操作。例如，可以在起出过程中执行与大致结合图7A至图7H描述的顺序相反的步骤。可以利用管引导系统30的展开来把起出的管段21朝着立根盒区域23推回。 [0050] 现在参见图9，具有管引导系统30的钻井系统的一些实施例可包括立管器和其他部件。钻井系统100包括钻机结构112、提升系统114、立管器系统400、顶部驱动系统118和钻台设备120。钻机结构112包括井架122、高架钻台124和底座126。提升系统114包括绞车128、天车130和游车132。顶部驱动系统118包括顶部驱动器134、提环136和升降器138。钻台设备120包括铁钻工系统148和位于井中心152上的卡瓦150。立管器系统400将钻管160从水平存放位置162移动至倾斜位置164，在该倾斜位置164，钻管的上端166基本上邻近高架钻台124。 [0051] 参见图10至图12，立管器系统400包括立管器框架402、管引导器404、枢轴406、升降缸408和导轨410。利用立管器系统400将管412从水平位置举升(如图1所示)，并移动至钻机416的坡道414。管412由安装在框架402上的管引导器404接纳。升降缸408将框架402举升至一定角度，使得管412的轴线基本平行于坡道414。然后，使框架402沿导轨410移动，直到管412靠近坡道414。一旦到达坡道414上，升降器84、138或一些其他起吊机构就可以接合该管412并将该管吊入钻机416内。 [0052] 当管412被从成角度的坡道414吊入钻机416内时，如上所述，可能希望控制该管412的下端的横向移动，以使该管在从坡道414上吊起之后不会危险地摆动。因此，本文所公开的管引导系统的各种实施例可以附接到井架122或其他钻台设备，并按本文所述的方式操作，以控制该管412并将其引导至井中心152。在管引导系统30中，旋转的臂是可移动支撑构件，并且，连接在所述旋转的臂之间的缆索是适于接纳并引导该管的可展开引导构件。该缆索也可包括滚子组件，以便于所述可展开引导构件相对于该管移动和从该管释放。 [0053] 虽然已经示出和描述了本发明所公开的原理的某些实施例，但在不脱离本公开的范围和教导的情况下，本领域技术人员可对其进行修改。本文所述实施例仅是示例性而非限制性的。因此，保护范围不限于本文所述的实施例，而是仅受以下权利要求限制，其范围应当包括权利要求的主题的所有等同形式。 |
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