钻探泥浆连续循环的顶部驱动钻机的装置.pdf

一种用于顶部驱动钻机的装置，其中，驱动轴(14)布置成可释放地连接到驱动器(12)并连接到钻杆(5)的第一端部分(51)，并且设置有延伸穿过其中的中心孔(141)，中心孔被布置用于钻探泥浆设备(6)与钻杆(5)的流体孔(53)之间的流体连通。分别围绕驱动轴和围绕钻柱的可释放的第一和第二压力密封部(1311c，1321)以及阀(133)，阀布置成在打开位置提供用于钻杆(5)或驱动轴(14)的通路(1331)，形成第一和第二腔。布置用于第二腔(132)的钻探泥浆入口(1323)被布置用于钻探泥浆设备(6)与连接壳体(13)之间的流体连通。使用所述钻机将钻探泥浆连续供应到钻柱(4)的方法。

1.  一种用于顶部驱动钻机(1)的装置，所述顶部驱动钻机(1)连接到钻探泥浆设备(6)，其特征在于，所述钻机包括：
驱动轴(14)，其布置成可释放地连接到驱动器(12)和连接到钻杆(5)的第一端部(51)，且设置有延伸穿过其中的中心孔(141)，所述中心孔(141)布置成用于所述钻探泥浆设备(6)与所述钻杆(5)的流体孔(53)之间的流体连通；
连接壳体(13)，其包括第一腔(131)和第二腔(132)，
所述第一腔(131)设置有可释放的围绕驱动轴的第一压力密封部(1311c)，
所述第二腔(132)设置有可释放的围绕钻柱的第二压力密封部(1321)，和
在所述第一和第二腔(131，132)之间的对接装置，其由阀(133)构成，所述阀布置成在打开位置提供用于所述钻杆(5)或驱动轴(14)的通路(1331)；以及
设置用于所述第二腔(132)的钻探泥浆入口(1323)，布置成用于所述钻探泥浆设备(6)与所述连接壳体(13)之间的流体连通。

2.  如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述连接壳体(13)设置有不压井起下作业装置(1311)，所述不压井起下作业装置(1311)布置成使所述钻杆(5)克服井压而沿轴向移动以连接到所述钻柱(4)。

3.  如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阀(133)是球阀。

4.  如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述球阀(133)包括阀座部分(1332)，所述阀座部分(1332)布置成接收所述钻杆(5)的端部(52)。

5.  如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述阀座部分(1332)形成在阀球表面上。

6.  如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述连接壳体(13)与所述钻杆(5)之间的机械连接通过推力装置(1311)布置，所述推力装置(1311)设置有若干致动器(1311e)，所述致动器(1311e)布置成用于使所述钻杆(5)沿轴向移动；和至少一组夹紧装置(1311b)，所述夹紧装置(1311b)布置成完全地或部分地围绕所述钻杆(5)，被布置用于所述致动器(1311e)的一个或多个连接件(1311f)，布置成在流体压力施加于所述第一腔(131)时提供所述轴向移动。

7.  如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述驱动轴(14)包括轴承部分(144)，所述轴承部分(144)布置成可释放地接合可旋转动力钳。

8.  如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述轴承部分(144)具有多边形截面轮廓。

9.  一种使用如权利要求1-8中所述的顶部驱动钻机(1)连续供应钻探泥浆的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)在钻柱(4)构建钻孔，并构建钻探泥浆的循环回路(6，61，62，63)，布置用于所述钻机(1)的驱动轴(14)连接到所述钻探泥浆设备(6)和钻柱(4)，所述钻探泥浆通过所述驱动轴(14)中的中心孔被供应到所述钻孔，所述中心孔布置用于与所述钻柱(4)流体连通；
b)启用在连接壳体(13)的第一腔(131)中围绕所述驱动轴(14)的第一压力密封部(1311c)，并形成在所述连接壳体(13)中的第二腔(132)中围绕所述钻柱(4)的第二压力密封部(1321)；
c)通过钻探泥浆入口(1323)将钻探泥浆供应到所述第二腔(132)；
d)使所述钻柱停止旋转，并使所述驱动轴(14)与所述钻柱(4)脱离连接；
e)将所述驱动轴(14)提出所述第二腔(132)；
f)以压力密封方式将阀(133)关闭，所述阀(133)在所述第一和第二腔(131，132)之间形成对接装置；
g)停止通过所述驱动轴(14)的钻探泥浆供应；
h)将所述驱动轴(14)拔出所述第一腔(131)；
i)将钻杆(5)连接到所述驱动轴(14)；
j)将所述钻杆(5)和驱动轴(14)插入所述上腔(131)中；
k)启用所述第一压力密封部(1311c)；
l)打开所述阀(133)；
m)停止通过所述钻探泥浆入口(1323)的钻探泥浆供应；
n)将所述钻杆(5)连接到所述钻柱(4)；
o)使所述钻柱恢复旋转；以及
p)当需要伸展所述钻柱(4)时，重复步骤b-o。

钻探泥浆连续循环的顶部驱动钻机的装置
技术领域
本发明涉及在地下钻探时使用顶部驱动钻机的钻探泥浆连续循环的装置，特别是用于对烃的勘探和生产钻探。更具体地，本发明涉及一种顶部驱动钻机，其具有可脱离连接的驱动轴，以及可选地将钻探泥浆侧向供应到钻机的下部分用于钻探泥浆循环，同时消除钻机的上部的流体压力，从而暂时拆卸驱动轴，以将新的杆部件连接到钻柱。
背景技术
在钻探时，钻探泥浆除了别的以外可用于润滑钻头并将钻削传送出钻孔。通常，钻探泥浆被打入钻柱的中心孔并返回钻柱与钻孔壁/壳/立管之间的环状空间中。根据现有技术，当要通过新的钻杆段伸展钻柱时，必须停止钻探泥浆的泵送，这是因为，在装配新的杆部件时，供应管路必须与钻柱顶部脱离。如此停止钻探泥浆循环所形成的风险在于，钻削沉积，即渗入静态的钻探泥浆中，因而有碍于钻探泥浆循环的恢复和/或导致钻柱阻塞。修复这样的故障是费时、昂贵的，并使设施承受很大的应力，因为所用方法可能包括例如钻探泥浆压力的突然显著升高。
发明内容
本发明的目的在于，消除或减少至少一种现有技术的缺陷。
这一目的通过在以下说明中和所附权利要求中详述的特征来实现。
本发明涉及一种用于顶部驱动钻机的装置，其中，钻探泥浆循环可连续、不间断、独立地进行，无论钻探是否正在进行中或是否钻探操作停止，这是因为钻柱将通过增加新的钻杆部件而延伸。上述目的通过所述钻机而得以实现，所述钻机包括布置成接合钻机驱动器的可脱离的驱动轴、和延伸穿过钻机中心孔的钻柱。所述钻机包括用于连接各杆、制动和拉开钻柱的装置，且所述装置被压力密封的柱形连接壳体完全包围。连接壳体包括在下端部分的围绕钻柱的下密封部、围绕驱动轴的上密封部和中间的球阀。钻探泥浆供应被布置为通过驱动轴至由驱动轴接合的钻柱部分的中心孔，并经由侧向供应孔至连接壳体的下部分。通过侧向孔的供应在驱动轴已经与钻柱脱离时使用，球阀和下密封部于是隔离连接壳体下部分，钻柱的中心孔通向该连接壳体下部分。通过侧向孔供应到连接壳体下部分的钻探泥浆然后将流入钻柱中，而且得停止来自钻机顶部的供应以连接新的杆部件时，也保持钻探泥浆循环。
在第一方案中，本发明更具体地涉及一种用于具有相关钻探泥浆设备的顶部驱动钻机的装置，其特征在于，所述钻机包括：
驱动轴，其布置成可释放地连接到驱动器和连接到钻杆的第一端部，且设置有延伸穿过其中的中心孔，所述中心孔布置成用于所述钻探泥浆设备与所述钻杆的流体孔之间的流体连通；
连接壳体，其包括第一腔和第二腔以及穿过其中的中心孔，
所述第一腔设置有可释放的围绕驱动轴的第一压力密封部，
所述第二腔设置有可释放的围绕钻柱的第二压力密封部，和
在所述第一和第二腔之间的对接装置，其由阀构成，所述阀布置成在打开位置提供用于所述钻杆或驱动轴的通路；以及
设置用于所述第二腔的钻探泥浆入口，布置成用于所述钻探泥浆设备与所述连接壳体之间的流体连通。
有利地，连接壳体设置有推力装置，所述推力装置布置成使所述钻杆克服井压而沿轴向移动以连接到所述钻柱。
优选地，所述阀是球阀。
有利地，所述球阀包括阀座部分，所述阀座部分布置成接收所述钻杆的端部。
优选地，所述阀座部分形成在阀球表面上。
在所述连接壳体与所述钻杆之间的机械连接通过推力装置布置，所述推力装置设置有若干致动器，所述致动器布置成用于使所述钻杆沿轴向移动；和至少一组夹紧装置，所述夹紧装置布置成以完全地或部分地围绕所述钻杆，被布置用于所述致动器的一个或多个连接件被布置成在所述第一腔承受流体压力时提供所述轴向移动。
有利地，所述驱动轴包括轴承部分，所述轴承部分布置成可释放地接合可旋转动力钳。
优选地，所述轴承部分具有多边形截面轮廓。
在第二方案中，本发明涉及一种使用如前所述的顶部驱动钻机来连续供应钻探泥浆的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)在钻柱构建钻孔，并构建钻探泥浆的循环回路，布置用于所述钻机的驱动轴连接到所述钻探泥浆设备和钻柱，所述钻探泥浆通过所述驱动轴中的中心孔被供应到所述钻孔，所述中心孔布置用于与所述钻柱流体连通；
b)启用在连接壳体的第一腔中围绕所述驱动轴的第一压力密封部，并形成在所述连接壳体中的第二腔中围绕所述钻柱的第二压力密封部；
c)通过钻探泥浆入口将钻探泥浆供应到所述第二腔；
d)使所述钻柱停止旋转，并使所述驱动轴与所述钻柱脱离连接；
e)将所述驱动轴拔出所述第二腔；
f)以压力密封方式将阀关闭，所述阀在所述第一和第二腔之间形成对接装置；
g)停止通过所述驱动轴的钻探泥浆供应；
h)将所述驱动轴拔出所述第一腔；
i)将钻杆连接到所述驱动轴；
j)将所述钻杆和驱动轴插入所述上腔中；
k)启用所述第一压力密封部；
l)打开所述阀；
m)停止通过所述钻探泥浆入口的钻探泥浆供应；
n)将所述钻杆连接到所述钻柱；
o)使所述钻柱恢复旋转；以及
p)当需要伸展所述钻柱时，重复步骤b-o。
附图说明
在下文中，描述如附图中所示的优选实施例的示例，其中：
图1以立体图方式显示出根据本发明的顶部驱动钻机；
图2以立体放大图方式显示出钻机的局部，其中驱动轴即将接合到驱动器中；
图3以局部移除的侧视图方式显示出原理图，其中，驱动轴连接到驱动器和钻柱，钻探泥浆供应穿过驱动轴，并启用第二压力密封部；
图4对应于图3中所示，但驱动轴已经被拔出并连接到装配于钻柱中的钻杆，启用阀和第二压力密封部，且钻探泥浆供应穿过侧向入口；
图5显示出已被部分插入钻机中并抵于阀上的钻杆，阀关闭，已经启用第二压力密封部，钻探泥浆供应穿过侧向入口；
图6显示出杆部件被部分插入钻机中并被提升而与关闭的阀分开，启用第一和第二压力密封部，且钻探泥浆供应穿过侧向入口并通过驱动轴；和
图7显示出杆部件穿过打开的阀以连接到钻柱，启用第一和第二压力密封部，且钻探泥浆供应穿过驱动轴。
具体实施方式
在图3中，基本上所有部件均通过其附图标记被标识，而在图4-7中，出于展示原因，仅通过附图标记指示对于理解本发明的钻机工作原理而言重要的部件。
顶部驱动钻机1布置成连接到本身公知的一种升降装置，其中，升降装置布置在钻台(未示出)的上方，并包括例如若干绳线21和滑轮组22且利用若干提升轭23而连接到钻机1。钻机1设置有本身公知的一种操纵灵活的所谓升降器3(出于展示原因，仅在图1中示出)，升降器3用于可释放地保持钻柱4，并连接到钻机1，且悬挂于升降器提环31，利用升降器操控器32，提环31可使升降器3沿朝向或远离钻柱4的方向摆动。
钻机1设置有框架11、用于使钻柱4旋转的驱动器12和连接壳体13。钻机1通过柔性线路61、62连接到本身公知的钻探泥浆设备6(出于展示原因，仅在图3中示意性示出)，钻探泥浆设备6包括：钻探泥浆储器、一个或多个泵、压力和流速控制装置、必要的管线和软管等。对于钻探泥浆设备6，阀63布置成可控地将钻探泥浆流引入钻机1上的一个或多个可选的钻探泥浆入口。钻探泥浆入口将在下文更详细地描述。
可脱离的驱动轴14设置有延伸穿过其中并且以流体连通方式连接到旋转接头142的中心孔141，旋转接头142设置有相关的旋转轴承和密封部(未示出)以允许驱动轴14的杆143旋转，而包括第一钻探泥浆入口1441的入口部分144保持静止。在邻近于旋转接头142的端部，驱动轴14的杆143设置有有齿的连接部分145，有齿连接部分145被布置为以可释放方式接合驱动衬套121，驱动衬套121支撑在框架11中并通过驱动轮122连接到两个马达123。驱动衬套121设置有与连接部分145互补的中心凹部。与旋转接头142相反的驱动轴14的端部设置有螺纹部分146，螺纹部分146布置成可释放地连接到钻杆5的第一端部51。钻杆5以及其中钻柱4以本身公知的方式分别设置有流体孔53和43。
驱动轴14进一步设置有起重附件147，用于连接到适合的起重装置，例如起重机的提升钩(未示出)。
驱动轴14的钻探泥浆入口1441通过第一柔性流体线路61和第一阀63以流体连通方式与钻探泥浆设备6相连。
连接壳体13为柱形并设置有第一腔131和第二腔132，第一腔131和第二腔132利用布置在分隔壁135中的阀而流体密封地相互隔开，该阀形成为球阀133。球阀133设置有与连接壳体13的中心线重合的中心孔1331。布置成支撑地接收钻杆5第二端部52的座1332被布置为垂直于阀133的中心孔1331和旋转轴线。
第一腔131包括不压井起下作业装置1311，也就是说，布置使使钻杆5克服井压的致动器操作的推力装置，钻杆通过钻柱4的开放端41而暴露于井压力，其中该开放端41连接到钻杆5与钻柱4的连接部。不压井起下作业装置1311包括形成有中心孔的心轴1311a。若干致动器操作的滑件1311b围绕中心孔的一部分，并布置成夹紧钻杆5。进一步地，心轴1311a包括致动器操作的第一压力密封部1311c，第一压力密封部1311c布置成围绕钻杆5或驱动轴14的杆143而压力密封地装配。
制动心轴1311a被可旋转地支撑在制动框架1311d中。制动框架1311d连接到若干致动器1331e，致动器1331e优选地为被布置成使不压井起下作业装置1311沿钻杆5的轴向移动的双向作用液压缸。在制动框架1311d与致动器1311e之间的连接部是具有长形槽的连接件1311f，从而允许在制动框架1311d与致动器1311e之间的一定的轴向移动。
制动框架1311d设置有密封元件1311g，密封元件1311g紧靠连接壳体12的内壁表面134而压力密封地装配。制动心轴1311a的支撑元件1311h还形成与制动框架1311d的压力密封连接。由此，第一腔131的面向阀133的部分和第一腔131的面向驱动器12的部分被压力密封地限定。
与阀133相反，第二腔132设置有与连接壳体13中心轴线同心的驱动轴开口136。第二压力密封部1321被同心地布置在中心孔中，并被布置为通过致动器操作而围绕钻柱4的一部分而压力密封地装配。在中心孔中，在驱动轴开口136与第二压力密封部1321之间，布置有致动器操作的夹紧装置1322，夹紧装置1322布置成夹紧钻柱并支撑地支承在处于钻柱4突出端部分处的凸缘41上。
第二钻探泥浆入口1323被布置在连接壳体13中并流体连通地连接到第二腔132。第二钻探泥浆入口1323通过第二柔性流体线路62被流体连通地连接到钻探泥浆设备6(见图3)。
对于钻机1，布置有根据本身公知技术的可旋转动力钳(未示出)，用于组成和取出钻柱5。动力钳可集成于钻机中，不过这不作为本发明的一部分。
在图4-7中，出于展示原因，钻探泥浆设备6未示出，不过承压的钻探泥浆入口1323、1441由箭头指示。
在通常操作中，驱动轴14连接到驱动器12、钻柱4和钻探泥浆设备6，其中驱动器12使驱动轴14和钻柱4旋转，钻探泥浆通过驱动轴14供应到钻柱4。第一和第二压力密封部1311c、1321打开，且阀133打开。钻机1根据钻探进程而降下。
当新的钻杆5需要被装配在钻柱4中时，压力密封部1311c、1321关闭。钻探泥浆循环继续通过驱动轴14，并且第二钻探泥浆入口1323处于压力下。驱动轴14与钻柱4脱离并被拔起穿过阀133，然后阀133关闭。由此，与第一腔132相对的第二腔132被压力密封，而且通过驱动轴14的钻探泥浆循环停止。第一压力密封部1311c打开，驱动轴14通过钻机1被升起。钻探泥浆循环通过第二钻探泥浆入口1323而被保持。
驱动轴14和新的钻杆5连接并降低至钻机1中，直到钻杆5下端处于阀133的阀座1332上。不压井起下作业装置1311的滑件1311b夹紧钻杆5。第一压力密封部1311c关闭，通过驱动轴14的钻探泥浆循环恢复。第一腔131的下部分被加压，钻探泥浆压力供给制动框架1311d，以提升与关联部1311f在长形槽中的行进对应的量。第一和第二腔131、132内的压力平衡，钻杆5与阀133分开，然后阀133被打开。驱动轴14和钻杆5通过向下移动的不压井起下作业装置1311被降低到钻柱开放端，能够以本身公知的方式通过以下方式钻杆5结合到钻柱4中：钻杆5以同步运动方式旋转和降低，而钻柱4保持固定。
由于钻杆5结合到钻柱4，因而钻柱4的上端关闭，通过第二钻探泥浆入口1323的钻探泥浆供应停止并随后通过驱动轴14被保持。在向第二钻探泥浆入口1323的供应已结束之后，压力密封部1311c、1321可打开，钻机1升高以使驱动轴14与驱动器12接合，从而使钻柱开始旋转以进一步钻探。
通过前述操作，本发明的目的得以实现，这是因为，在钻柱的整个伸展过程中使向钻柱的连续钻探泥浆供应得以保持。