自装配钻塔 【相关申请的交叉引用】
本申请要求2000年12月15日提交的题目为“自装配钻塔”、申请序列号为60/256,049的35 U.S.C.111(b)的临时申请，以及2000年12月15日提交的题目为“CT钻井钻塔”、序列号为09/739,072的美国专利申请的权益，上述两个申请作为参考包含于本文。
关于联邦主办的研发工作的声明
不可应用。
【技术领域】
本发明总体上涉及适于支撑油井结构并可以进行多次操作的钻塔，更具体的讲，本发明涉及自装配钻塔。另一方面，本发明还涉及具有模块结构的自装配钻塔，构造成用来支撑和容放油井设备。
背景技术
部分地讲，在油田或者天然气田进行高效低成本的生产需要能够经济地进行钻井的表面支撑和控制系统以及整套系统和方法。现有的钻塔有一些固有的缺点，这些缺点会导致在使用钻机和整套系统来建造新油井和在现有的油井上进行作业时降低成本效益。下面讨论地这些缺点是对于海上平台来说的，当然在其他一些环境下的油井也会发现这些缺点。
首先，在油田上使用现有的钻塔进行作业往往会占用很大的甲板空间。一般来说，漂浮的平台设计的结构都很笨重，以保证在海洋这样恶劣的环境中可以工作十年以上。尽管这些海上油田平台的整体面积都比较大，但是由于各种各样的油井设备的存在，甲板上还是显得比较拥挤。甲板上的空间有限，就会影响一些操作程序，也会造成一些设备使用的不便，因此一般尽量都希望能够减小各种设备在甲板上占用的空间。现有的钻塔工作的时候，都要和泥浆桶、动力组件、泥浆泵、防爆蓄电池以及其它一些设备布置在一起，这些设备通常位于现有钻塔附近。这样，钻塔和相关的设备具有较大的覆盖区域，这降低了甲板空间的可用量。
而且，现有钻塔和相关设备的装配既费时又费力。现有的钻塔和相关设备要在海上平台上一部分一部分的进行安装。这通常需要上百次的“提升”操作，也就是说，在最终装配完成之前，每一部分设备都要进行好多次提升和安装。而且，尽管海上平台会用专用的起重机来进行一般的操作，但通常要用一个“打夯”起重机来安装钻塔和相关设备的大量零件。因此，现有钻塔的建造降低了钻井操作的总体成本效益。
本发明克服了现有钻塔的上述以及其他一些缺点。
【发明内容】
本发明的优选实施例包括一个适用于布置在在海上平台上的钻塔，还包括液压起重器和轨道。这种钻塔结构包括大量堆叠的模块，模块上具有自锁机构可以将相邻的模块互锁在一起。这些模块在其结构中有敞开的区域，可以用来存放一些像泥浆泵、泥浆桶和动力组件的设备。这些设备在运到海上之前就能事先安装在模块结构中。轨道设置在平台上用来将各个模块引导到液压起重器的地方。液压起重器也固定在平台上用来可释放地接合并提升模块。
在布置过程中，先将第一个模块放在轨道上，然后用电动车运到液压起重器处。当起动起重器时，起重器接合第一个模块并将其提升到一个预定的高度。然后把第二个模块滑到第一个模块的下方，液压起重器就会将第一个模块降低放在第二个模块的上面。当第一个模块搁置在第二个模块上的时候，自锁机构将两个模块锁在一起。然后起重器就可以松开第一个模块，回到其初始位置，接合第二个模块，将第一个和第二个模块同时升高。第三个模块在第一个和第二个模块的下面滑动，重复上述操作。
这样，该优选实施例具有一些特点和优点的组合，可以克服现有设备的许多问题。上述的这些特点以及其它一些特征对于本领域的普通技术人员来说，只要参考附图，阅读本发明的优选实施例的详细说明，是很容易理解的。
【附图说明】
现在参考附图对本发明的优选实施例，进行详细描述：
图1是自装配钻塔的一个优选实施例的透视图；
图2A是用于优选钻塔的模块的一个实施例的透视图；
图2B是用于优选钻塔的模块的一个实施例的侧视图；以及
图3是用于优选钻塔的提升装置一个实施例的剖视后视图。
【具体实施方式】
按照本发明制造的钻塔的优选实施例可用于在海洋和陆地上进行油气勘探和回收作业的钻井平台。优选的钻塔还有助于将电缆、工作管组、钻井管组以及其它管状电缆引入地下油井。优选的钻塔能够进行深孔组件的高效布置和操作。为了简单起见，本发明的优选实施例将参照海上钻井平台来进行说明。现在参考附图1，图示中示出一海上钻井平台10，其具有甲板12，垫板14。固定(例如用螺钉固定)在垫板14上的优选钻机100包括模块200、轨道300和起重器400。为了清楚起见，在图1上省略了平台上的一些通用机器、设备和零件，其中包括发电机，液压泵、液压管、电缆、数据传输线、活动场所、存储设备以及其他一些在油井上常用的机器、设备和零件。
现在参考附图2A，模块200优选地是预先做好的标准的模块结构，可以预先安装设备。模块200有一个后框架202，顶框架204，底框架206，内框架208和侧框架210。模块200示例性的尺寸是长30英尺，宽30英尺，高10英尺。对于本领域的普通技术人员很容易理解，模块200可以做成几乎任何所需要的大小，并使用任何数量的可接受的框架结构。最好是，最终所用的框架结构为储存油井设备提供合适的空间。在2000年12月15日提交的题目为“CT钻井钻塔”的专利申请序列号为09/739,072的美国待批申请中公开了模块设计的实施例，该申请作为参考包含于本文。
内框架208形成一个轴向开放，该开放为钻塔100形成了一个敞开的狭窄的通路102(如图1所示)。内框架208还用作一个基础，诸如动力臂等的油井设备可以悬挂在这个基础上。在美国专利申请序列号为09/739,072，名称为“CT钻井钻塔”的同时待批申请中也描述了这种设备。现在参考附图2B，每一个侧框架210都具有一个提升基座214。提升基座214被焊接或者固定在每个侧框架210的底角处。每一个提升基座214都具有一个孔216用来和液压起重器400进行互锁(如图1所示)，其互锁方式将在下面描述。应当明白，提升基座214可以位于模块200的任何一个位置。
仍参考附图2B，模块200还具有一个自锁机构218。自动锁紧机构218包括设置在在顶框架204的四个角上的阴连接器220，和设置在在底框架206的四个角上的阳连接器222。因此自锁机构218优选满足ISO9000的要求，因为模块200是堆叠起来的，同时也满足用来固定垂直堆放的储存容器的其他各种自锁机构的标准的要求。一种典型的自锁机构的结构是使用一指状凸起作为阳连接器，用一个键槽作为阴连接器，该指状凸起可以具有一个带钩的端部，该带钩的端部与键槽中的凸耳或唇状物接合，无论如何，本领域的普通技术人员应当认识到，锁紧机构的数量应该是适当的。
再回到图2A中，模块200包含敞开的内部空间，可以用来存放油井设备。由于设备的类型可以随着油井的结构和所要进行的操作的变化而变化，对于模块200来说，作为油井设备的例子包括如下。因为本领域的普通技术人员熟悉所述的设备，所以这些设备没有在图中示出。现在参考图1，第一个模块230可以包括一个监控室，监控室中可以有报警设备，控制面板，通讯系统，和其它用来控制油井设备运行和生产作业活动的设备。第二个模块240可以具有诸如设备和作业工具。第三个模块250可以具有进行油井作业的液压系统。第四个模块260可以具有泥浆泵。第五个模块270可以具有提供钻探泥浆的泥浆桶。所有的这些设备都可以预先装进模块200的各个模块当中，然后再运到海上平台10上。因此，模块200不仅在油井作业时起到支撑结构的作用，同时还为油井设备的运输、提升和操作提供了空间。
轨道300用作将模块200运到钻塔100处的导轨，轨道300通常是工字梁，从码头302处一直延伸到钻塔通道102的位置。轨道300还是一个支撑面，使其他提升或操作设备(如电动车)能移动模块200，轨道300也可以通过改装，使其具有例如滑轮、绳索、滚筒或者皮带等设备以独立地移动模块200。
现在参考附图1和附图3，在装配或者拆卸钻塔的时候，起重器400可以升高或者降低模块200的高度。最好将两个起重器400固定在两个垫板14上，根据模块200的重量和稳定性等情况，可以选择使用大一些或者小一些的起重器400。每一个起重器都有一个罩402，一个提升装置404和一个可以缩回的锁定杆406。罩402可以保护起重器400的内部，防止接触到周围的设备而发生损坏，也可以防止石油工人由于不小心碰到起重器400而发生危险。液压提升装置404一般都是公知的由加压的工作液体驱动的活塞-气缸式的装置。由于在海上平台可以很容易得到工作液体，因此提升装置优选使用液压驱动。但如果实在没有工作液体，提升装置404也可以使用不同的动力源，如电力。例如，一个电机加上一个涡轮也可以当作提升机构来使用。在提升装置404的端部固定一个可以缩回的锁定杆406。在驱动的时候，锁定杆406可以在伸展的位置和收缩的位置之间移动，伸展的位置用“E”标识，收缩的位置用“R”标识，驱动可以用公知的液压系统或公知的机-电装置完成。在伸展的位置“E”，锁定杆406进入提升基座214的孔216中(如图2B所示)。可以理解，根据需要可以在锁定杆406和提升基座214的场所可以使用任何数目的这种接合机构(如图2B所示)。例如，使用一个可以缩回的棘爪(未示出)替代锁止杆406，就可以省掉提升基座214。可以缩回的棘爪构成一个支撑面，模块底框架206(如图2A所示)就座在这个支撑面上。
现在参考图3，提升装置404优选地将模块200提到一个高度，这个高度至少为模块200的高度加上一些附加间隙距离。例如，如果模块的高度是10英尺，那么提升装置404就要将模块200提高到大约12英尺(如图1所示)。也就是说，在这个例子中，提升装置404的行程大约是12英尺，提升装置404有三个固定的位置，分别用“A”、“B”和“C”标识。位置“A”是提升装置404提升之前的最低提升位置。如图中虚线所示，位置“C”是提升装置404最大行程的位置。也如图中虚线所示，当把模块200放在下面的另一个模块200上，就要提升到位置“B”。
在上述实施例的优选配置中，每一个模块200都能和特定的设备配合使用，例如泥浆桶，泥浆泵，液压系统，防爆蓄电池和监控站。使用驳船等运输设备将每一个模块都运到海上平台处，再用平台上的起重机接连地将每一个模块200从运输设备上卸下来，最终卸在轨道300的地方。对于每一个模块200，按照下面的步骤顺序进行操作：用电车将模块200沿着轨道300运到钻塔通道102处，当模块提升基座214和起重器400对齐之后，锁定杆406被驱动，移动到其伸展的位置“E”，并且与模块的提升基座214接合，这样固定在起重器400上的模块200就可以从位置“A”提升到位置“C”。当这个模块200悬在位置“C”，将另一个模块200滑到钻塔通道102处。在核实两个模块的凸形和凹形锁紧机构218对齐之后，悬着的模块200就可以从位置“C”降到位置“B”。当悬着的模块200到达位置“B”后，凸形和凹形锁紧机构218相互接合。一旦核实这两个模块200稳定之后，锁定杆406就退回到缩回去的位置“R”，起重器返回到位置“A”。然后，锁定杆406接合下面的模块，并把两个模块同时提升起来。当提升到位置“C”的时候，对后续的模块重复上述的步骤。一旦所有的模块都就位以后，加上一些必要的连接装置，如果需要的话，在钻塔上可以再加一些辅助设备。
因此可以看出，不需要专门的起重机并且以最小的人工介入即可建造优选的钻塔。还可以看出，原来需要占用海上平台许多甲板空间的设备都可以放到改进的钻塔内部，这样改进的钻塔所占地方就小多了，腾出了甲板的许多宝贵空间来进行其它活动。此外，由于“所占地方”比较小，在海上平台可以使用更多的钻塔。而且，也可以考虑在这种改进的钻塔上使用传感器、录像设备、遥控技术和其它一些自动化装配钻塔的技术。此外，由于钻塔的模块化结构，起重器机构和设备预先安装在模块中，搭建这种改进的钻塔要比现有钻塔节省很多时间。
虽然已经示出和描述了本发明的优选实施例，在不脱离本发明公开的内容和精神的情况下，本领域的普通技术人员可以对其进行修改。在此描述的实施例只是一种举例而不是限制。在本发明的范围内对本系统和设备进行变化和修改是可能的。因此，保护范围不限于在此描述的实施例，而仅由下面的权利要求所限定，权利要求的范围将包括权利要求主题的所有等同物。