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在井的建造和维护期间便于钻井泥浆连续循环的方法和装 置
    技术领域 本发明涉及一种在井的 ( 优选但不限于油井或气井 ) 的建造和维护期间便于钻井 泥浆连续循环的方法和装置。本发明还涉及一种用于使井筒作业连续循环的系统。
     背景技术 在油井或气井的建造中， 钻出井眼。钻头布置在钻柱的端部并且被旋转以钻出井 眼。通常称为 “钻井泥浆” 的钻井流体被泵送通过钻柱到达钻头以润滑钻头。钻井泥浆还 用于将由钻头产生的切屑和其它固体颗粒通过在钻柱与井眼和 / 或嵌衬井眼的套管之间 形成的环形空间带到地面。钻柱通常由很多段带螺纹的钻杆构成。
     在现有技术的方法中， 利用钻井钻机钻出井眼的方法是使用连接至钻柱的顶部连 接头的具有方形或者其它多边形横截面的方钻杆， 所述方钻杆用来使钻柱转动。在钻台处 的转盘使方钻杆转动， 而同时方钻杆可通过钻机底座处的转盘内的方钻杆补心竖直地运 动。 在现有技术的另一种方法中， 顶部驱动钻井单元悬挂在井架夹具中并使钻柱转动， 而不 使用方钻杆。重要的是能够控制与地层压力有关的井眼压力。在某些情况下， 钻井人员可 认为需要欠平衡钻井， 其中施加在暴露于井筒中的地层上的压力低于所述地层的内部流体 压力。因此， 如果存在足够大的孔隙率和渗透性， 地层流体会进入井筒中。钻孔速度通常随 着接近欠平衡条件而增加。 然而， 钻井人员可认为需要过平衡钻井， 其中井筒中的压力量超 过了地层中的流体压力。尤其需要这种过量压力以阻止油藏流体 ( 油、 气或水 ) 进入井筒。 然而， 过量的过平衡通过有效地加固靠近井筒的岩层和限制钻头下方的切屑的移除来显著 地减缓钻井过程。此外， 与钻井泥浆的性质差有关的很高的过平衡压力可能引起压差卡钻 问题。由于储层压力在一个地层到另一个地层之间存在变化， 虽然钻井泥浆具有相对恒定 的密度， 过平衡仍然在一个产层到另一个产层之间存在变化。钻井人员能够通过使用加重 剂增大或减小钻井泥浆的密度来改变钻井泥浆的密度而将钻井条件从欠平衡改变成过平 衡。
     如果不能正确地控制井中的压力， 就不能使钻井速度最大化。 在最坏的情况下， 井 可能由于井眼中的压力不足而坍塌。 当钻进通过特定类型的地层时， 更可能发生这种情况。
     在过去， 在接装或拆下钻杆单根或立根期间， 停止钻井流体的循环。 在上扣或卸扣 过程中， 注入阀或泥浆防溅盒阀用来控制钻柱中的压力。然而， 阀不得不每次被连接和断 开。 因此， 存在不连续的循环， 尽管在井中保持充分的压力， 但是仍应注意压力变化脉冲。 钻 井流体的循环对于保持稳定的井下压力和稳定的且接近恒定的当量循环密度来说可能是 非常关键的。往往当将钻柱下入井中或者从井中起出时， 钻井流体连续循环的缺乏可能导 致井内的压力变化， 这增加了发生不期望的 “溢流” 的可能性。井筒中的套管段的连接存在 类似的与循环流体有关的问题。
     通常优选的是将钻出的切屑保持悬浮在钻井流体中， 以便于将切屑从钻头移走并 防止它们向下落回到井筒中。钻井泥浆循环的停止可能导致切屑下沉。为了解决这个问
     题， 在现有技术的很多系统中， 尝试使用额外的流体加重剂， 这往往增加流体的粘度。这导 致在地面处需要更大的泵送功率以使更稠的流体运动， 但是泵送力的增加可能导致井筒内 过压， 该过压可能引起地层破坏或流体流失。
     已经开发出一种连续循环系统， 并且在 PCT 公开 WO 98/16716 中公开了这种连续 循环系统， 该连续循环系统允许在将管与管柱进行上扣和卸扣的整个过程中进行钻井泥浆 循环。 WO 98/16716 尤其公开了用一组上部半封闸板 (pipe ram) 绕将要连接至管柱的管单 根或立根进行施加和密封， 用一组下部半封闸板绕井内的管柱顶部处的管进行施加和密封 从而在它们之间形成一腔室， 和使用全封闸板来密封位于将要连接的管的端部公扣和管柱 顶部处的管的母扣之间的腔室从而形成上部腔室和下部腔室。 钻井泥浆入口布置在位于全 封闸板组和下部半封闸板组之间的下部腔室内。 钻井泥浆源也被连通到要连接的管的顶端 部， 从而形成连通， 下部半封闸板被致动并且绕井筒内的管柱的顶端部进行密封， 并且全封 闸板被致动以便绕钻柱的顶部形成下部腔室。 钻井泥浆被允许流入下部腔室中并循环到钻 柱的顶部。钻井泥浆流经钻柱到达钻头并通过由钻柱和井眼形成的环形空间返回。钻井泥 浆通过泥浆振动筛、 离心分离机和类似装置进行处理， 以从钻井泥浆去除切屑， 需要时加入 添加剂， 然后被循环到下部腔室。同时， 管单根或立根被下放到连续循环系统的顶部。上部 半封闸板被致动以绕管进行密封。管单根或立根的上端部被附接至钻井泥浆源， 钻井泥浆 通过阀门的致动流入上部腔室。现在上部腔室和下部腔室中的压力基本相等。全封闸板被 打开并且管单根或立根的公扣端部被插入管柱顶端部的母扣中， 并且被旋转和扭转来形成 连接。 腔室中的钻井泥浆可被排出并且上部和下部半封闸板被打开以允许管柱和已添加的 管单根或立根下放到井中。因此在形成连接和脱开连接的同时， 循环连续通过管柱和环形 空间。 已经对连续循环系统做出了各种改进， 包括在钻井的同时进行连续循环。这允许 钻柱连续转动从而允许在将管单根或立根连接至管柱或者将管单根或立根与管柱分离的 同时连续钻井。这对于用钻杆钻井或者用套管钻井来说是有用的。
     2003 年 12 月 4 日公开的美国公开的专利申请公开 2003-0221519( 于 2003 年 3 月 5 日提交的 USSN 382080) 公开了一种设备， 该设备允许在钻井作业期间将管状物段连接至 管柱或者将管状物段与管柱分离。 该设备还允许钻杆段在连接或分离操作过程中转动和轴 向移动。该设备还允许在上扣或卸扣过程中流体连续循环流至管柱并通过管柱。该设备限 定出钻井组件， 该钻井组件包括 ： 顶部驱动机构、 旋转驱动机构、 和流体循环装置。 管状物柱 的旋转和轴向运动交替地由顶部驱动器和旋转驱动器提供。另外， 流入管状物柱的连续流 体通过循环装置提供， 并且一旦在连接至顶部驱动机构的上部管状物与管柱之间形成连接 时， 连续流体交替地流动通过管状物段。该申请还公开一种在连续钻井的同时将上部管状 物连接至管状物柱的顶部管状物的方法， 该方法包括以下步骤 ： 操作旋转驱动器以便在井 眼中提供管状物柱的旋转运动和轴向运动 ； 将上部管状物放置在管状物柱的顶部管状物上 方， 该上部管状物被构造成具有连接至顶部管状物的顶部螺纹端部的底部螺纹端部 ； 改变 上部管状物和顶部管状物之间的相对速度， 以使上部管状物的底部螺纹端部与顶部管状物 的顶部螺纹端部螺纹配合， 以使得上部管状物成为管状物柱的一部分 ； 释放管状物柱与旋 转驱动器的接合 ； 和操作顶部驱动器以提供管状物柱在井筒中的旋转运动和轴向运动。
     在某些现有技术的系统中， 顶部驱动器用于钻井， 钻杆立根 ( 例如， 27m(90 英尺 )
     的立根包括由三根钻杆相互连接而成的杆件 ) 被螺纹连接至保护接头并且位于保护接头 下方。保护接头连接至顶部驱动钻井单元的部件， 一旦钻井已经向下钻进到立根长度的程 度， 保护接头就已经进入连续流体循环系统的腔室中并且位于连续流体循环系统的腔室 内。为了用这种类型的现有技术系统来添加新的立根， 断开流体循环系统中的连通， 顶部 驱动钻井单元被升高， 随同该顶部驱动钻井单元的是， 保护接头也被升高并且从连续循环 系统的顶部退出。然后， 为了连接新的钻杆立根， 在一些现有技术的方法中， 顶部驱动钻井 单元的一部分 ( 例如， 升降装置 ) 运动远离井筒。通常升降装置与顶部驱动钻井单元相关 联， 但是这种升降装置通常不能用来接纳和支承该新的立根， 这是因为保护接头会干扰该 操作。
     在很多情况下， 当顶部驱动钻井单元被升起时， 希望向后扩孔以便在顶部驱动钻 井单元被升起时使流体循环并将钻杆柱从孔 ( 井筒 ) 中旋转出来， 例如， 使井眼平滑并防止 形成键槽 (keyseat)。
     这些钻井系统的另一个问题是希望尽可能使用每根新钻杆立根向下钻进 ； 但是悬 挂在顶部驱动钻井单元下方的部件和设备 ( 例如升降装置 ) 阻止顶部驱动钻井单元的进一 步向下行进， 除非它们运动远离井筒的中心线， 以使得当顶部驱动钻井单元的保护接头进 入连续循环系统 ( 且顶部驱动器接近连续循环系统 ) 时， 顶部驱动钻井单元可继续使钻柱 转动。通常， 升降装置沿一个方向远离井筒中心线运动 ( 并且使用仅通向一侧的现有技术 的升降装置 )。 有多种已知的连续循环系统 ； 例如但不限于下列美国专利和申请中提出的示例 性系统及其部件 ： 7,350,587 ； 7,107,875 ； 6,412,554 ； 6,315,051 ； 6,591,916 ； 3,298,385 ； 1,491,986 ； 和于 2006 年 6 月 9 日提交的美国专利申请 11/449,662。
     有多种已知的井筒、 接头、 连续循环系统以及相关部件， 包括例如在下述美国专 利中公开的内容 ： 2,102,555 ； 2,158,356 ； 4,310,050 ； 4,448,267 ； 4,646,844 ； 6,253,861 ； 6,688,394 ； 6,739,397 ； 7,028,787 ； 7,134,489 ； 和 7,281,582 ； 和 在 2002 年 10 月 31 日 公 开 的 美 国 专 利 申 请 公 开 2002/0157838 和 在 2006 年 11 月 6 日 公 开 的 美 国 专 利 申 请 2006/0254822 中公开的内容， 所有这些专利和专利申请为所有目的完全结合入本文。
     多种现有的系统具有与它们的用途相关的很多缺点和问题 ； 例如在一些现有的系 统中， 接头内部的阀被送到井下， 在该处它们容易受到磨损和破坏。 要在接头下方定位在井 筒中的很多部件 ( 例如， 打捞工具、 测井仪器、 井下工具等等 ) 在直径上被限制成具有能通 过该接头的直径。 在某些方面， 接头的阀座部分具有相对小的直径， 该相对小的直径限制了 可插入通过该接头的部件的尺寸。
     “铁钻工” 将扭矩扳手和旋转扳手结合， 以用于在将管状物柱下入井内或从井中起 出时连接和分离例如钻井部件 ( 例如钻杆 ) 的管状物。例如在下述美国专利中示出了现有 技术的铁钻工 ： 4,023,449 ； 4,348,920 ； 4,765,401 ； 6,776,070 ； 7,062,991 ； 7,188,547 ； 和 7,313,986， 上述所有专利的全部内容通过引用结合入本文。 某些现有技术的铁钻工具有一 起安装在滑座上的旋转扳手和扭矩扳手。为了在两根管状物 ( 例如钻杆的连接 ) 之间形成 螺纹连接或者脱开螺纹连接， 某些铁钻工包括具有两个爪子平面的扭矩扳手。扭转扳手的 上部爪子用来夹紧在上部管状物的一部分上， 而下部爪子夹紧在下部管状物的一部分上， 例如， 钻杆的上螺纹连接部和下螺纹连接部。 在夹紧在管状物上时， 上部爪子和下部爪子彼
     此相对转动来脱开或形成上部管状物和下部管状物之间的连接。 旋转扳手安装在扭矩扳手 上方的滑座上， 该旋转扳手接合上部管状物并使上部管状物旋转， 直至该上部管状物与下 管状物分离 ( 或者在连接操作中， 在通过扭矩扳手形成最终上扣之前使两根管状物旋转 )。
     某些铁钻工安装用于从井筒中心运动到收回位置， 在收回位置不会干涉或妨碍执 行与井以及转动或驱动设备有关的其它操作。 这种现有技术的系统可用于形成和脱开主柱 中的连接， 或者用于例如在井侧部处的鼠洞 ( 鼠穴 ) 中与井筒中心间隔开定位的管状物段 连接或者与该管状物段脱开连接。
     某些现有技术的铁钻工系统包括用于沿着预定路径在钻机底座表面上滚动的架。 在某些现有技术的系统中， 旋扣器和扭矩扳手安装用于相对该架上下运动， 以用于与管状 物正确接合， 和用于在旋扣器和扭矩扳手的轴线完全竖直地延伸以与竖直井管接合的位置 和旋扣器和扭矩扳手的轴线布置成与纯竖直线成微小角度以在倾斜鼠洞中接合管和对管 起作用的位置之间进行倾斜运动。在某些现有技术的系统中， 旋扣器可相对于扭矩扳手竖 直运动。
     有用于井筒操作中的很多种已知的扭矩扳手和大钳， 例如但不限于在下述美 国专利中公开的和提到的那些扭矩扳手和大钳 ： 3,892,140 ； 4,221,269 ； 4,425,827 ； 4,446,761 ； 6,684,737 ； 6,971,283 ； 5,161,438 ； 5,159,860 ； 5,842,390 ； 5,245,877 ； 5,259,275 ； 5,390,568 ； 4,346,629 ； 5,044,232 ； 5,081,888 ； 5,167,173 ； 5,207,128 ； 5,409,280 ； 5,868,045 ； 6,966,385 ； 6,138,529 ； 4,082,017 ； 6,082,224 ； 6,213,216 ； 6,330,911 ； 6,668,684 ； 6,752,044 ； 6,318,214 ； 6,142,041 ； 6,253,845 ； 和 7,000,502。 发明内容 根据本发明， 提供一种在井的建造和维护期间便于钻井泥浆连续循环的方法。该 方法包括以下步骤 ： 将连续循环工具的壳体运动到接头中， 该接头具有贯穿其中的孔， 该接 头处于与井中的管状物柱连接中或者用于与井中的管状物柱连接， 并且该接头选择性地允 许钻井泥浆在壳体与接头的侧开口之间流动， 连续循环工具还包括闭合设备， 致动闭合机 构以将闭合设备的闭合构件插入通过接头中的侧开口， 从而隔断通过至少一部分孔的钻井 流体。优选地， 闭合机构以与钻井流体的通过接头孔的流动方向成一角度的方式施加闭合 构件， 该角度不是直角， 优选在 5°至 89°之间， 更优选在 45°至 89°之间。优选地， 闭合 构件具有基本平坦的表面， 该表面防止流体流动通过孔。
     优选地， 钻井泥浆流入井中的流动通过闭合构件从壳体导出。 有利的是， 闭合设备 包括通道， 该通道用于引导钻井泥浆通过闭合构件流至接头的孔或从该接头的孔流出。闭 合构件上方的孔中的流体可通过通道排出并返回到工作泥浆回收系统 (ARS) 或者在返回 到该工作泥浆回收系统之前对流体进行处理， 以从该流体中除去固体和其它污染物。
     优选地， 该方法还包括在将闭合构件插入通过侧开口之前将塞子从侧开口移走的 步骤。有利的是， 移走塞子的步骤通过将插入器插入该塞子以便于移走塞子来执行。优选 地， 插入器被插在至少两个构件之间， 以使该至少两个构件运动分开， 从而允许将塞子从侧 开口移走。优选地， 接头还包括 ： 与侧开口连通的两个间隔开的侧开口凹槽 ； 和包括一个或 两个爪 (dog) 的固定机构， 所述一个爪或每个爪可选择性地运动进出两个间隔开的侧开口 凹槽中的一个。有利的是， 该方法还包括致动塞子运动装置以移走和更换塞子的步骤。优
     选地， 该方法还包括下述步骤通过侧开口将闭合构件从孔移走和更换塞子。 优选地， 接头是 管状物 ( 比如钻杆 ) 的立根。有利的是， 一旦更换好塞子， 接头在管状物柱中被送入井下。
     有利的是， 闭合机构包括至少一个可选择性伸展的可伸展构件。优选地， 该闭合 机构包括动力驱动的可伸展构件。有利的是， 动力驱动的可伸展构件是下述部件中的至少 一个 ： 液压致动的活塞和缸体 ； 气压致动的活塞和缸体 ； 齿条与小齿轮 ； 和线性致动器。优 选地， 可伸展构件具有第一端部和第二端部， 动力驱动的可伸展构件具有近端部和远端部， 该第一端部包括闭合构件， 第二端部可动地附接至远端部， 而近端部附接至壳体。优选地， 动力驱动的可伸展构件的近端部在销上附接至壳体， 其中可伸展构件可在该销上运动。替 代地， 也可以使用球窝连接。 优选地， 可伸展构件的至少一部分位于连续循环工具的壳体内 部， 而其它部分位于壳体的外部。有利的是， 可伸展构件以可转动的密封方式穿过壳体。有 利的是， 动力驱动的可伸展构件位于壳体的外部。
     优选地， 接头包括台肩， 该方法包括将闭合构件抵靠台肩的步骤。优选地， 在闭合 构件和台肩之间形成密封。 有利的是， 孔在邻近侧开口的区域中具有直径加大的区域， 该台 肩由位于该区域和孔之间的过渡区域形成。
     有利的是， 连续循环工具布置在臂上， 用于便于连续循环工具运动至接头和离开 接头。优选地， 该臂的另一端部被安装在连接至钻台的立柱上。
     有利的是， 管状物操纵设备布置在连续循环工具上方。该方法包括使用管状物操 纵设备以便于连接接头与管状物的步骤， 该管状物优选为管状物单根或由两根、 三根或更 多管状物构成的管状物立根。 管状物可以是钻杆、 工具管、 套管、 尾管、 特种管状物或者任何 用于与管状物柱连接的工具或井下工具。优选地， 管状物操纵设备布置在臂上。优选地， 连 续循环工具优选与大钳设备一致地运动。有利的是， 管状物操纵设备是下述设备中的至少 一种 ： 动力大钳、 背钳、 钻杆旋接器、 旋转扳手和铁钻工。
     本发明还提供一种用于执行本发明的方法的设备， 该设备包括用于在管状物柱中 进行连接的接头和连续循环工具， 该接头包括主体和侧开口， 所述主体具有贯穿其中的孔， 该连续循环工具包括壳体和闭合设备， 所述壳体与侧开口流体连通， 所述闭合设备包括闭 合机构和闭合构件， 该闭合构件可选择性地插入侧开口和从该侧开口移走， 以选择性地隔 断钻井流体通过至少一部分孔的流动。
     在权利要求 19 至 23 中和上述内容中提出了用于执行本发明方法的设备的有利的 和优选的特征。
     本发明还提供一种用于使井筒操作连续循环的系统， 该系统包括 ： 连续循环工具， 该连续循环工具可布置成与井筒管状物柱流体连通， 该井筒管状物在其中包括接头， 该连 续循环工具用于选择性地断开流至井筒管状物柱的流动 ； 邻近接头的管状物操纵设备， 该 管状物操纵设备包括大钳、 多个大钳、 大钳和背钳、 大钳和旋转扳手、 以及铁钻工中的一种。 优选地， 该接头具有侧开口。有利的是， 连续循环工具布置在臂上。
     在多个方面中， 本发明公开了一种系统， 该系统包括管状物操纵设备 ( 例如大钳 或多个大钳、 大钳和背钳、 大钳和旋扣器、 或铁钻工 ) 和连续循环设备。在某些这样的系统 中， 连续循环设备安装在铁钻工的下方并且可随铁钻工朝向管状物操纵设备伸展， 例如， 朝 向和远离管状物或管状物柱和 / 或朝向和远离井中心。
     接头允许钻井流体连续循环， 连续循环工具提供选择性地打开接头侧开口和选择性地阻止流体从接头的顶部流到接头和通过接头， 而流体可从接头的侧部向下流动进入接 头下方的管状物柱 ； 任何这种系统和方法可以与管状物操纵设备一起使用， 所述管状物操 纵设备例如但不限于 ： 大钳、 多个大钳、 大钳和背钳、 大钳和旋扣器、 或铁钻工。 附图说明
     为了更好地理解本发明， 现在将参考附图通过举例方式进行描述， 附图中 ： 图 1A 是根据本发明的设备的透视图， 该设备包括接头和连续循环工具 ； 图 1B 图 1A 所示设备的侧剖视图 ； 图 2A 是图 1A 所示设备在第一操作步骤中的俯视剖视图 ； 图 2B 是设备的一部分在图 2A 所示步骤中的放大图 ； 图 3A 是图 1A 所示设备在第二操作步骤中的俯视剖视图 ； 图 3B 是设备的一部分在图 3A 所示步骤中的放大图 ； 图 3C 是图 1A 所示接头部分的剖视图 ； 图 3D 是图 1A 所示接头部分的剖视图 ； 图 4A 是图 1A 所示设备在第三操作步骤中的俯视剖视图 ； 图 4B 是设备的一部分在图 4A 所示步骤中的放大图 ； 图 5 是图 1A 所示设备在第四操作步骤中的侧剖视图 ； 图 6 是图 1A 所示设备在第五操作步骤中的侧剖视图 ； 图 7 是图 1A 所示设备在第五操作步骤中的侧剖视图 ； 图 8 是图 1A 所示设备在第六操作步骤中的侧剖视图 ； 图 9 是图 1A 所示设备在第七操作步骤中的侧剖视图 ； 图 10 是所述设备的一部分在图 9 所示步骤中的放大图 ； 图 10A 是如图 10 所示部分的剖视图， 其中闭合构件已就位 ； 图 11A 示出了根据本发明的设备的侧视图， 该设备包括铁钻工 ； 图 11B 是图 11A 所示设备位于展开位置时的侧视图 ； 图 11C 是图 11B 所示设备的透视图 ； 图 11D 是图 11B 所示设备的透视图， 其中铁钻工已移走 ； 图 12A 是根据本发明的设备位于非扩展的 “停靠” 位置时的顶部示意图 ； 图 12B 是使用图 12A 所示设备的方法的第一步骤的俯视图 ； 图 12C 是使用图 12A 所示设备的方法的第二步骤的俯视图 ； 图 12D 是使用图 12A 所示设备的方法的第三步骤的俯视图 ； 图 13A 是图 12A 所示设备的一部分在第一操作步骤的透视图 ； 图 13B 是如图 12A 所示设备的一部分在第二操作步骤的透视图。具体实施方式
     图 1A 和 1B 示出了用于使钻井泥浆在井筒中连续循环的设备 1， 该设备 1 包括接头 10 和连续循环工具 100。接头 10 具有主体 12， 该主体 12 具有从顶部到底部的流动孔 14、 带螺纹的公扣端部 16 和带螺纹的母扣端部 18。接头 10 连接至管状物柱 TS( 图 1B 中示意 性示出了部件 TS1 和 TS2 ； 例如从钻机或平台上向下延伸到地层的钻杆柱 )。连续循环工具100 具有壳体 102。
     塞子设备 20 可移除地固定在接头 10 的主体 12 的开口 13 中。当固定就位时， 塞 子设备 20 防止流体流动通过开口 13( 例如， 参见图 1B、 2B、 3B)。塞子运动装置 15( 如在图 1A 和图 1B 中示意性示出的 ) 选择性地致动塞子设备 20 并使塞子设备 20 运动。控制系统 17 控制塞子设备 20 和闭合设备 40( 如下文所述 )。控制系统 17 在某些方面针对用于系统 的控制器类型 ； 例如但不限于， 控制系统可包括 ： 操作塞子设备 20 和闭合设备 40 的手动液 压阀系统的控制器 ； 电液控制系统 ； 和机械控制系统。在某些方面， 控制系统可利用操控闭 合设备 40、 塞子设备 20 和其它系统部件的线性运动装置 ( 液压、 气动和电动 )。该设备可 通过手动和 / 或经由计算机系统起作用。任何这样的控制系统可具有一台或多台计算机、 可编程序逻辑控制器 (PLC) 和 / 或单板计算机。
     如图 1B 和图 2A 所示， 塞子运动装置 15 使插入器结构 19 朝向塞子设备 20 运动和 远离塞子设备 20 运动。该插入器结构 19 具有主体 19a 和带有尖端 19c 的插入器 19b。
     塞子设备 20 包括具有凹入主体部 21a 的塞子 21， 该凹入主体部 21a 没有伸入孔 14 中的部分 ( 该部分从与其平齐的内孔表面凹进 )。密封件 22( 例如， 由橡胶或任何合适 的密封材料制成 ) 密封开口 13/ 塞子设备 20 的接合部。防挤出钢制装置 23 位于这些密封 件的每侧上， 并且在向这些密封件施加压力时帮助这些密封件保持就位。推压塞子 21 的流 体压力推压在钢制装置 23 上， 而该钢制装置又推压在密封件 22 上以增强开口 13/ 塞子设 备 20 接合部处的密封性。在一个方面， 塞子 21 的外表面与孔的内表面平齐 ( 即， 塞子外表 面的曲率与孔内表面的曲率相匹配 )。 两个隔开的锁定爪 24 可动地进出相应侧的开口凹槽 13a。通过使锁定爪 24 处于 凹槽 13a 内， 塞子设备 20 被固定就位。利用爪运动装置 25 将锁定爪 24 从凹槽 13a 缩回会 释放塞子设备 20， 以使得塞子设备可从开口 13 移出 ( 如图 4A、 图 4B、 图 5 所示 )。
     塞子 21 具有外部件 21o 和带孔件 21b， 该带孔件 21b 具有插入器 19b 可穿过其中 的孔 21r。止动销 21c 将塞子的部件保持在一起。
     闭合设备 40 具有将在下文中详细描述的闭合结构 42。
     如图 4A 和 4B 所示， 插入器结构 19 已经运动， 使得带有尖端 19c 的插入器 19b 致 动爪运动装置 25， 从而将锁定爪 24 从凹槽 13a 缩回。插入器结构 19 可相对于塞子设备 20 运动。通过使塞子设备 20 脱离连续循环接头 10 的主体 12， 如图 5 所示， 塞子运动装置 15 可将塞子设备 20 从开口 13 中移走。
     如图 6 所示， 塞子设备 20 通过塞子运动装置 15 转动离开开口 13， 以及如图 7 所 示， 塞子设备 20 例如已经从图 5 所示的位置转动大约 90 度而转出开口 13 位置并且已经缩 回， 以使得塞子设备的一部分位于连续循环系统 100 的壳体 102 的腔室 102a 中。在将塞子 设备 20 从开口 13( 例如参考图 5) 移走之后， 流体可流动通过开口 13 进入连续循环接头 10 的主体 12 的孔 14 内。
     开口 13 提供通向孔 14 的通路， 以使得闭合结构 42 可运动就位， 从而切断通过孔 14 的流动。如图 8 所示， 闭合设备 40 已经被致动并已经使轴 41 朝开口 13 运动 ( 可伸展 轴， 例如可伸缩轴或其它可伸展的轴 )， 以使得闭合结构 42 穿过开口 13。活塞 / 缸体组件 44 的活塞 43 回缩以实现轴 41 的运动。轴 41 在主体 44 的孔 44a 内运动。孔 44a 与壳体 102 的内部连通。该轴 41/ 主体 44 的接合部由密封件 45 密封， 主体 44 的端部 44e 被密封
     地固定在壳体 102 的开口 102b 中的密封件 45 上。轴 41 的端部 41e 被固定至枢转构件 46， 该枢转构件 46 可枢转地连接至活塞 / 缸体组件 44 的端部 44g。活塞 / 缸体组件 44 的另一 端部 44f 可枢转地连接至壳体 102 上。闭合结构 42 安装至轴 41 或者与轴 41 一体形成以 便随轴 41 一起转动。如图 1B 示意性示出的， 转动机构 49 通过使闭合设备 42 的轴 41 转动 来使闭合设备 42 转动。
     如图 9 所示， 闭合设备 42 已经被转动并且活塞和缸体 44 缩回以使闭合设备 42 沿 着孔 14 的内壁滑动而坐靠在接头 10 的主体 12 的台肩 12s 上。在这个步骤中， 轴 41 稍微 改变了角度， 这通过可运动的密封件 45 进行调节。
     在本发明的范围内的是， 轴 41( 及其部分或部件 ) 是实心的， 以使得可以没有流体 流动通过轴 41。可选地， 轴 41 具有从一端部贯穿到另一端部的孔 41r ； 轴 41 通过顶端部 开口 41t， 经由枢转构件 46 上的端口 46p 以及管路 51 而与储存器系统 50 或钻机泥浆系统 ( 例如， 类似于图 1A 的系统 ARS) 流体连通。阀设备 52 选择性地控制管路 51 内的流动。任 何合适的控制系统， 包括但不限于控制系统 17， 可控制阀设备 52。进入连续循环接头 10 顶 部的任何流体 ( 例如， 钻井流体 ) 被排放至储存器 50。
     任何合适的密封件或密封结构可用来使闭合设备 42 密封抵靠连续循环接头 10 的 主体 12 的台肩 12s。可选地， 如图 9 和图 10 所示， 可以使用受压自紧密封设备 54， 该受压 自紧密封设备包括密封构件 56( 例如， 由橡胶或任何合适的密封材料制成 )， 在该密封构件 的顶部上的是硬构件 57( 例如， 由金属、 钢材、 硬塑料、 复合物等制成 )。 作用在硬构件 47 上 的流体压力加压并由此使密封构件 56 受压自紧。卡环 59 将硬构件 57 和密封构件 56 保持 就位。可选地， 如图 10A 所示， 闭合构件 ( 比如塞子、 密封件、 或阀构件 60) 可被定位成密封 抵靠在接头 10 的主体 12 的密封座 62 上， 以使得在主体 12 内提供两道屏障。构件 60 可从 上方插入或者通过侧开口插入。
     对于流体向下进入井筒 WB( 如图 1B 示意性示出的 ) 的连续循环， 例如， 当希望在 接头 10 上方添加一新的管件或者管立根时， 将塞子 21 从开口 13 移走， 于是 ( 其中塞子 21 已经移出来并且闭合设备 42 位于如图 9 所示的位置 ) 流体由在工作钻机泥浆系统 ARS( 如 图 1A 示意性示出的 ) 经由通道 11a 泵送到系统 100 的壳体 102 内， 流经开口 13 和井筒 WB 中的向下孔眼， 从而提供连续循环。
     利用大钳 (“大钳” 包括多个大钳和旋扣器 )、 利用大钳或者利用铁钻工来将根据 本发明的设备 ( 例如， 如设备 1) 与根据本发明的接头 ( 例如， 如接头 10) 相结合尤其在本 发明的范围内。 在一个方面， 根据本发明的系统具有独立的支承件和独立的运动设备， 用于 使系统相对于管状物或管状物柱、 以及相对于大钳、 多个大钳或铁钻工运动。在其它方面， 根据本发明的系统由支承大钳、 多个大钳或铁钻工的同一支承件或框架支承， 而连接至支 承件或框架的伸展设备使根据本发明的系统随着铁钻工运动或者相对于铁钻工独立运动。
     如图 11A 和 11B 示意性示出的， 根据本发明的系统 200 具有用于操作管状物的操 纵设备 202( 可以是任何这种设备， 包括但不限于， 大钳、 多个大钳、 大钳和背钳、 大钳和旋 转扳手或旋扣器、 或者铁钻工 )， 在一个特定方面， 该操纵设备是具有伸展设备 204( 如图 11B 示意性示出的 ) 的铁钻工 ( 任何合适的已知铁钻工系统或设备 )， 该伸展设备 204 用于 相对支承框架 206 伸展和缩回设备 202。
     根据本发明的连续循环设备 100a( 类似于本文所述的连续循环设备 100， 但并不局限于此 ) 连接至伸展设备 210， 用于相对于框架 206 伸展和缩回连续循环设备 100a。管 路设备 220 与连续循环设备 100a 连通， 并且与工作钻机泥浆系统 ( 例如， 类似于图 1A 所示 的系统 ARS) 连通。
     接头 10a( 例如， 类似于上文所述的接头 10) 与系统 200 一起使用。该接头 10a 被 连接至向下延伸到井筒中的柱 SG。
     如图 11B 和 11C 所示， 铁钻工 202 和连续循环设备 100a 已经朝向接头 10a 运动并 且于是邻近接头 10a。连续循环设备 100a 被操作地联接至铁钻工 202， 所述铁钻工 202 布 置成在接头 10a 上方操作管状物。铁钻工 202 可与连续循环设备 100a 一起运动或者独立 于该连续循环设备 110a 运动。
     图 12A 至 12D 示出了系统 300 的延长使连续循环设备 100b( 类似于连续循环设备 100a 或连续循环设备 100) 运动的各个步骤。连接至支承框架、 箱形段或工字梁 228 的延 长装置 230 具有后臂 232， 该后臂 232 在一个端部可枢转地连接至框架 228， 并且在另一端 部连接至前臂 236。前臂 236 可枢转地连接至连续循环设备 100b。管道设备 250 将连续循 环设备 100b 连接至泥浆系统。支承框架 228( 如框架 206) 可支承连续循环设备 100b 和铁 钻工或一个或多个大钳和一个或多个旋扣器。连续循环设备 100b 可通过单独的运动系统 100c( 如图 12A 示意性示出的 ) 运动， 或者连续循环设备 100b 可被选择性地连接至铁钻工 并随着铁钻工的运动而运动。通过使锁销 238( 如下文所述 ) 接合， 臂 232 不能运动， 而臂 236 可运动。
     锁销 238 通过弹簧 234 的力而保持与框架 228 上的闭锁构件 238m 接合的锁销接 合位置， 以防止当连续循环设备 100b 处于 “停靠” 位置时后臂 232 运动。锁销 238 的一个 端部可枢转地连接至后臂 232， 而另一端部可枢转地连接至连杆构件 240， 该连杆构件连接 至臂 236。弹簧 234 位于连杆构件 240 上。在使臂 236 运动以前， 在锁销 238 接合时， 防止 臂 232 运动， 并且弹簧 234 迫使端部杆 240a 朝向锁销 238。
     如图 12C 所示， 锁销已脱开， 连续循环设备 100b 已经开始其朝向井入口的运动。 连 续循环设备 100b 的连续行进如图 12C 所示。
     图 12D 示出了伸展设备 230 完全伸展， 并且连续循环设备 100b 在井中心处与接头 10b( 类似于接头 10a ； 类似于接头 10) 接合。
     经由如图 12A 示意性示出的选择性连接设备 100d， 连续循环设备 100b 被选择性地 连接至布置在系统 100b 上方的铁钻工 ( 例如， 类似图 11A 中的铁钻工 202)。任何合适的一 个或多个连接设备可用在连续循环设备 100b 和铁钻工之间， 所述一个或多个连接设备例 如但不限于 ： 一个或多个锁销 ； 选择性伸出的销和 / 或活塞， 所述销和 / 或活塞从连续循环 设备 100b 和铁钻工中的一个伸出到另一个中的相应孔和 / 或凹槽中 ； 磁性装置 ； 一个或多 个辊子， 所述一个或多个辊子在连续循环设备 100b 和铁钻工其中之一上并且选择性地移 动到其中另一个上的相应槽中 ； 和 / 或可释放的协作紧固材料。
     图 13A 和 13B 示出了锁销 238 的操作。弹簧 234 施加闭锁力以将锁销保持在闭合 的、 接合的 “停靠” 位置 ( 如图 12A 和 13B 所示 )。如图 13A( 以及图 12B) 所示， 通过锁销脱 开， 臂 232 可运动。
     管道设备 250 随着系统 100b 伸展和缩回。管道设备 250 包括密封的、 可枢转地连 接的管道 252、 254 以及与泥浆系统流体连通的流体管线 256。因此， 本发明在一些但不必是全部的实施例中提供一种用于使井筒作业连续循环 的系统， 该系统包括接头系统， 所述接头系统具有可布置成与井筒管状物柱流体连通的接 头， 该接头具有 ： 主体， 该主体大体呈圆柱形， 并且该主体具有第一端部、 第二端部和外表 面， 第二端部可连接至井筒管状物柱 ； 从第一端部穿过主体到第二端部的孔， 该孔具有由主 体的内表面限定的内边界， 该孔可布置成与井筒管状物柱流体连通 ； 主体中的侧开口， 该侧 开口从主体的外表面延伸到内表面 ； 并且接头系统还包括闭合设备， 该闭合设备具有与接 头主体的侧开口流体连通的壳体， 闭合设备包括位于主体外部的闭合机构， 该闭合机构包 括位于壳体内并且可选择地插入侧开口中和可从主体的孔中移走的闭合构件， 该闭合构件 可运动以选择性地关闭来自主体第一端部的流动。 这种系统可以按照任意可能的组合方式 具有下述特征中的一个或一些 ： 邻近接头系统的管状物操纵设备 ； 其中管状物操纵设备可 以是大钳、 多个大钳、 大钳和背钳、 大钳和旋转扳手、 和铁钻工之一 ； 其中接头系统可选择性 地随管状物操纵设备运动 ； 该接头还具有可拆除地并密封地固定在侧开口中的塞子， 该塞 子具有塞子主体和固定机构， 该固定机构连接至塞子主体以用于将塞子可释放地固定在侧 开口中 ； 塞子运动设备， 塞子被连接至塞子运动设备上， 以用于将塞子移出侧开口 ； 塞子运 动设备包括插入器设备， 该插入器设备可运动以与塞子连接并操作固定机构以将塞子从侧 开口释放 ； 接头还具有与侧开口连通的两个间隔开的侧开口凹槽， 并且固定机构具有一个 或两个爪， 所述爪或爪中的一个可选择性地运动进出两个间隔开的侧开口凹槽中的一个 ； 其中接头主体的内表面是曲面的， 且塞子具有曲面的外表面， 塞子的外表面与主体的内表 面基本齐平 ； 其中闭合设备的壳体具有内部空间， 且其中流体可流经壳体的内部空间进入 接头主体的孔中和经主体的孔的第二端部流出， 以使得可在井筒管状物柱中维持连续的流 体循环 ； 闭合设备具有可伸展轴， 该可伸展轴可伸展以使闭合构件相对于主体的孔定位， 该 可伸展轴具有贯穿其中的轴通道， 该闭合构件位于可伸展轴的一端部处， 该闭合构件具有 贯穿其中的构件通道， 该构件通道与轴通道流体连通， 以使得通过闭合构件阻止流体向下 流至接头的第二端部， 流体可从接头的第一端部流至并流经闭合构件的构件通道， 并且随 后流至且流经轴通道 ； 和 / 或其中流体是钻井泥浆， 所述被钻井泥浆泵送到接头中并向下 流动通过主体的第一端部， 并且轴通道与钻机泥浆系统流体连通， 以使得通过轴通道流出 的钻井泥浆流至钻井泥浆系统。
     因此， 本发明在一些但不必是全部的实施例中提供了一种用于使井筒作业连续循 环的系统， 该系统包括接头系统， 该接头系统具有可布置成与井筒管状物柱流体连通的接 头， 该接头具有 ： 主体， 该主体大体呈圆柱形并且具有第一端部、 第二端部和外表面， 第二端 部可连接至井筒管状物柱 ； 从第一端部穿过该主体到第二端部的孔， 该孔具有由主体的内 表面限定的内边界， 该孔可布置成与井筒管状物柱流体连通 ； 主体中的侧开口， 该侧开口 从主体的外表面延伸至主体的内表面 ； 并且接头系统还包括闭合设备， 该闭合设备具有与 接头主体的侧开口流体连通的壳体， 该闭合设备包括位于主体外部的闭合机构， 该闭合机 构包括闭合构件， 该闭合构件位于壳体内并可选择性地插入该侧开口中和从主体的孔中移 出， 该闭合构件可运动以选择性地关闭来自主体第一端部的流动 ； 塞子设备具有塞子主体， 该塞子主体可移除地且密封地固定在侧开口中 ； 和固定机构， 该固定机构连接至塞子主体， 以用于将塞子可释放地固定在侧开口中 ； 与塞子连接的塞子运动设备用于将塞子从侧开口 移出 ； 塞子运动设备包括插入器设备， 该插入器设备可运动以与塞子连接并操作固定机构以将塞子从侧开口释放 ； 闭合设备的壳体具有内部空间， 而且其中流体可流经壳体的内部 空间进入接头主体的孔中和通过该主体的孔的第二端部流出， 以使得在井筒管状物柱中维 持连续的流体循环 ； 闭合设备具有可伸展轴， 该可伸展轴可伸展以使闭合构件相对于主体 的孔定位， 该可伸展轴具有贯穿其中的轴通道 ； 闭合构件位于可伸展轴的一端部处， 该闭 合构件具有贯穿其中的构件通道， 该构件通道与轴通道流体连通， 以使得通过闭合构件阻 止流体向下流至接头的第二端部， 流体可从接头的第一端部流至并流经闭合构件的构件通 道， 并且随后流至并流经轴通道 ； 其中流体是钻井泥浆， 该钻井泥浆被泵送到接头中并向下 流动通过主体的第一端部 ； 轴通道与钻机泥浆系统流体连通， 以使得通过轴通道流出的钻 井泥浆流至钻井泥浆系统 ； 管状物操纵设备邻近接头系统。 在这样的系统中， 管状物操纵设 备可以是大钳、 多个大钳、 大钳和背钳、 大钳和旋转扳手、 和铁钻工之一。
     因此， 本发明在一些但不必是所有的实施例中提供了一种用于使井筒作业连续循 环的系统， 该系统具有 ： 接头系统， 该接头系统可布置成与井筒管状物柱流体连通 ； 接头系 统用于选择性地关闭流至井筒管状物柱的流动 ； 和邻近接头的管状物操纵设备， 该管状物 操纵设备具有大钳、 多个大钳、 大钳和背钳、 大钳和旋转扳手、 和铁钻工中的一种。
     本发明和本申请根据美国专利法要求于 2008 年 1 月 22 提交的美国专利申请 61/011,849 和于 2009 年 1 月 8 日提交的美国专利申请 TBA 的优先权。