连续钻井流体循环单元和装置技术领域
本文描述了一种用于在连续钻井期间使钻井流体(drillingfluid，钻井液)
连续循环的循环单元和装置，其中，循环单元被设置在上旋转单元和下旋转
单元之间，循环单元和旋转单元可沿导轨竖直地移位。
背景技术
公知的是，在油气钻探工业中，当钻柱被延长时，需采取措施以能够维
持钻井流体在井眼中的循环。专利NO326427公开了一种系统，其中，带有
中空驱动轴的顶部驱动钻井机与设有围绕管的密封件的闸室协作，其中，当
连续的钻柱被连接到钻井机时，钻井流体经由第一流体入口交替地通过驱动
轴，并且当管柱的上端被设置在闸室中且将要被接合到新管段时，钻井流体
经由第二流体入口通过闸室。
专利NO326427这一现有技术的缺点是，当管柱将被延长时，管柱旋转
就停止。公知的是，在工业中，为了降低管柱卡住的风险，并且为了提高生
产率(例如在钻柱被延长时通过不使实际钻井作业停止来提高钻井能力)，维
持管柱的旋转是有利的。
从专利NO333021及相应的专利公开文献WO2011/093716中已知一种装
置，其中在第一顶部驱动钻井机和井眼之间设置第二钻井机，该第二钻井机
设有：旋转台，设置为承担管柱的重量；旋转驱动单元，设置为用以使管柱
连续地旋转；以及流体室，其设置为使管柱的端部以流体连通的方式连接到
钻井流体系统，该流体室设有多个管柱端口，该管柱端口包括设置为以流体
密封方式封闭这些管柱端口的工具，并且第二钻井机还设有一对动力钳
(powertong)，该对动力钳被设置为使元件与管柱连接/脱离连接，动力钳被
设置在流体室中。该装置的缺点是，旋转驱动单元直接连接到流体室(闸室)
且动力钳被包围在流体室内。这里，动力钳对被处理的相关的管尺寸的调整
必须通过介入流体室中来进行。
从专利公开文献WO0169034A2中已知一种系统，该系统用于当上部管
被连接到管柱的上端或从管柱的上端被移除时，使流体连续循环到达或通过
管柱。该系统包括上部室和下部室，两者各自设置有密封装置和中间门装置，
该密封装置被设置用以密封地靠抵管柱的一部分。
专利公开文献WO2008/147210A2公开了一种用于顶部驱动钻井机的装
置，其中，当钻柱的下端部或所连接的管段的下端部通向所述室时，通过将
钻井流体通过贴靠钻柱的上部紧密配合的室和钻井机驱动轴交替地供给，可
维持钻井流体通过钻柱的连续循环。
US2003/0221519A1公开了一种装置，该装置使管能够在钻井作业期间
相对于管柱连接或脱离连接。该装置还使管能够在连接和脱离连接操作期间
以及钻井流体循环期间旋转和轴向移位。顶部驱动钻井机与旋转台协作，钻
井流体循环被设置成交替地通过循环单元以及通过顶部驱动钻井机和所连接
的上部管。
发明内容
本发明的目的是弥补或减少现有技术的至少一个缺陷，或至少提供一种
现有技术的有益的替代。
该目的是通过下面的说明书及随附的权利要求书明确说明的特征来实
现。
在下文中，术语“钻柱”用作所有类型的管柱的总称，这些管柱通过端
部的旋转借助合适的钻头元件磨碎地下材料而形成地下的井眼，并且使携带
磨碎的地下材料的流入钻井流体借助流向地表的回流而运出井眼。
若非明确提出，术语“管”在下文中用作单独的管、由若干单独的管组
成的管段以及通过联结若干能够螺接在一起的单独的管或若干管段而制造的
管柱的总称。“管”也可包括所谓的保护接头(saversub)，该保护接头用作
管柱和旋转单元之间的连接器，其可能被设置用于将钻井流体供给到管柱。
根据本发明的第一方案，提供了一种循环单元，其被设置为在钻井期间
使钻井流体连续循环的装置，其中，壳体设有中心孔，该中心孔被设置为容
纳管的一部分；且其中该中心孔包括上密封元件和下密封元件；这些密封元
件设有中心开口，该中心开口能通过密封元件的扩张而被封闭，或通过内密
封表面抵接该管而与该管紧密配合，该循环元件的特征在于，每个密封元件
以流体密封的方式连接到位于壳体中的封隔管，且该封隔管能围绕中心孔的
中心轴线旋转，封隔管被封隔组件围绕，该封隔组件紧密配合在封隔管的外
周与壳体之间。
通过旋转，穿过循环单元延伸的钻柱将密封元件和封隔管与该循环单元
一起牵拉，密封元件和封隔管从而与钻柱共同旋转。该封隔管可以是一个分
开的管。
密封元件中的至少之一可设置有自闭合管引入件。在优选的示例性实施
例中，自闭合管引入件包括弹性的锥形元件，该锥形元件在其闭合状态下被
来自相邻的流体室中的流体的外部压力压在一起。当一管被推入自闭合管引
入件时，该管引入件将弹性地打开并贴靠该管密封。
自闭合管引入件构成相对于相邻的密封元件的另一道屏障。
自闭合管引入件可由易变形材料或弹性材料或两者的组合制成，例如由
橡胶状材料、弹簧、充满加压流体的囊状物或其组合制成。
在两个封隔组件之间可设置有流体端口，流体端口与密封元件流体连通。
壳体中的处于封隔组件与两个密封元件之间的空间形成流体室。
封隔管可连接到从封隔管向上伸出的排放柱。该排放柱的作用是抑制流
体从流体填充管流出，该流体填充管与钻柱分开。
根据本发明的第二方案，提供了一种用于在连续钻井期间使钻井流体连
续循环的装置，其中，如上文所述的循环单元被设置在上旋转单元和下旋转
单元之间，循环单元和旋转单元能沿着导轨竖直移位，该装置的特征在于，
至少上旋转单元能与循环单元相独立地移位；该循环单元包括壳体，该壳体
设有中心孔，该中心孔被设置成容纳该管的一部分；该中心孔包括可旋转地
支撑在壳体中的上环形密封元件和下环形密封元件；而这些密封元件设有中
心开口，通过抵靠管的内密封表面，通过所述密封元件的扩张，该中心开口
能够封闭或与管紧密配合。
在与钻柱连接或分离的期间，管的任何旋转和钻柱的任何旋转由旋转钳
提供，该旋转钳被设置在循环单元的壳体的外侧。
每个旋转单元典型地包括：一对可旋转钳，这种可旋转钳可围绕管部进
行抓握并将其紧紧握持；挂脱装置，典型地为一种卡瓦(slips)设置的形式，
其本身为设置成贴靠于管承座等的面向下的肩部的一种公知的类型；以及旋
转轴承，其被设置为支撑钳和/或挂脱装置。可旋转钳设有旋转驱动器。
旋转单元被设置用来吸收钻柱中的主要的力和产生于循环单元内的力。
除其它方面外，循环单元内产生的以及由流体压力导致的力在连接/脱离连接
的情况下可构成压缩力和拉伸力两者。
下旋转单元和循环单元可设置有共用的线性驱动器，此线性驱动器被设
置用来使所述旋转单元和循环单元沿导轨以同步竖直移动方式移位。
循环单元可设有流体室和排放壳体，上述流体室和排放壳体各自经由连
接到阀系统且可独立关闭的钻井流体管线而被连接到钻井流体装备。
保护接头可被可旋转地连接到可关闭的钻井流体管线，而该钻井流体管
线经由阀系统连接到钻井流体装备。
密封元件以流体密封方式连接到可旋转的封隔管，该封隔管位于壳体中
且被封隔组件围绕，该封隔组件抵靠且紧密配合于封隔管的外周及壳体。
根据本发明的具有连续钻井(流体)循环及钻柱连续旋转的钻井作业可
典型地以下列方式执行：
1.在钻井序列(drillingsequence，钻井程序)的第一阶段，进行如下步
骤：
a)钻柱的上端通过循环单元向上伸出。第一钻井流体管线经由保护接头
连接到钻柱的上端。
b)钻井流体经由保护接头供给到钻柱的中心孔。
c)钻柱被上旋转单元保持旋转。
d)上密封元件和下密封元件打开，且钻柱相对于循环单元大体上自由地
移动。
e)上旋转单元和钻柱根据所获得的钻井速度而向下移位。
2.在钻井序列的第二阶段，进行如下步骤：
a)将循环单元和下旋转单元向上朝向上旋转单元移位。
b)将钻柱的上端和保护接头的下部移动到循环单元中，使得钻柱的上端
处于流体室中。
c)钻柱被下旋转单元(其接管了该钻柱的旋转操作)抓握。保护接头在
上旋转单元中保持挂脱。密封元件分别围绕旋转的钻柱和保护接头封闭。
d)钻井流体通过流体端口被供给到流体室。当下旋转单元旋转钻柱的同
时，保护接头通过保持保护接头返回的上旋转单元而与钻柱脱离连接。由于
自闭合管引入件在管的后面关闭，使保护接头退出流体室，且停止通过保护
接头供给钻井流体。
e)将钻井流体从保护接头排出，且保护接头退出循环单元。
f)通过下旋转单元和循环单元的旋转和移位来维持钻井作业，通过流体
室维持钻井流体的供给，该流体室借助自闭合管引入件且可借助紧密配合在
一部分钻柱周围的上密封元件和下密封元件而保持对周边环境封闭。
3.在钻井序列的第三阶段，进行如下步骤：
a)借助操纵器等装置将待连接到钻柱的下一管移动到钻井中心并在此保
持固定，该钻井中心与循环单元的中心轴线一致。
b)上旋转单元转动保护接头，以将其连接到管的上端。
c)当上密封元件打开且进一步进入自闭合管引入件的同时，管的下端被
移动到循环单元中，该自闭合管引入件充分打开以供该管移动穿过。
d)上密封元件围绕该管封闭。
e)钻井流体通过保护接头被供给，由于现在供给到钻柱的钻井流体来自
保护接头，所以通过流体端口的钻井流体的供给被停止。
f)通过旋转，上旋转单元使管移位以将其连接到钻柱，管旋转得比钻柱
快。
g)钻井流体通过保护接头被供给到钻柱。密封元件可在循环单元的流体
室被排干之后打开。
钻井作业通过重复步骤1a)到3g)而继续。
钻井作业也可以借助稍微偏离上述描述但不脱离本发明的范围的多个变
型来实现。
本发明使得在钻柱的连续旋转期间供钻井流体连续循环的操作维护系统
得到极大的简化，这是因为所有使管或钻柱进行旋转和挂脱的元件被设置在
循环单元的外面。与维护或调整另一管尺寸相关联的部件的任何更换操作可
以不介入循环单元而进行。
在钻柱连续旋转期间钻井流体连续循环中，根据本发明的装置显示了很
大程度的灵活性，这是因为上旋转单元可与下旋转单元和循环单元相独立地
移位。通过使下旋转单元能与循环单元相独立地移位，可获得更大的灵活性。
附图说明
下文中描述了附图中所阐示的优选实施例的示例，在附图中：
图1示出了根据本发明的循环单元的轴向剖视图；
图2以较小比例示出了根据本发明的装置的侧视图，其中，钻柱被上
旋转单元旋转，并且钻井流体经由连接到钻柱的保护接头(saversub)来供
给钻井流体，同时循环单元和下旋转单元朝向上旋转单元竖直移位；
图3以经过循环单元的轴向截面示出了根据本发明的装置的原理图，
其中，钻柱的上端位于循环单元中的流体室内，保护接头与钻柱分离并且
其下端位于流体室内，钻柱被下旋转单元旋转且钻井流体通过循环单元的
流体室来供给钻井流体；以及
图4示出了由下旋转单元持续旋转的钻柱，保护接头从循环单元退
出。
具体实施方式
在附图中，附图标记1表示循环单元，该循环单元包括壳体2，循环单
元1形成有贯穿其中的轴向中心孔4。中心孔4的中心轴线基本上与钻井中
心6同心。因此，附图标记6既用于中心轴线，又用于钻井中心。
封隔管8居中地设置在壳体2中，且其端部分别附接到上轴承套圈
(bearingring，轴承环)10和下轴承套圈12。在两个轴承套圈10、12处，
设有抵靠壳体2的轴承14。轴承14具有使带有轴承套圈10、12的封隔管8
在壳体2中可旋转的作用，且该轴承被设置为能吸收所产生的任何径向力
和轴向力。
在与壳体2流体连通的流体端口16的上方和下方，分别设置有上封隔
组件18和下封隔组件20，上述封隔组件密封于壳体2与封隔管8之间。封
隔组件18、20典型地可以是所谓的“冲洗管封隔件”，但也可使用其它已
知的适合的密封件。
径向开口22被设置在封隔管8中的封隔组件18、22之间。
在流体端口16与下封隔组件20之间的区域中，围绕封隔管8的排空封
隔件24限定环空(环形空间)26。封隔管8中的排空通道28从环空26延
伸到封隔管8的下部。排空泵(图中未示出)连接到环空26并被设置为用
以经由环空26和排空通道28排空循环单元1。
上轴承套圈10内部设置有上密封元件30。以同样方式，下轴承套圈12
内部设置有下密封元件32。
密封元件30、32形成有内部中心开口33，这些内部中心开口具有密封
表面34和扩张室36，且经由旋转联结部和阀(图中未示出)与压力流体泵
(图中未示出)流体连通。通过将加压流体供给到扩张室36，可使相应的
密封元件30、32封闭，或者使内部密封表面34抵靠管38密封。管38在图
2中示出。密封元件30、32被阻止在其各自的轴承套圈10、12中轴向移
位。
在该优选实施例中，上密封元件30设有自闭合管引入件(lead-through)
40。该自闭合管引入件40具有弹性锥体的形式，该弹性锥体从上密封元件
30伸出且沿下密封元件32的方向具有逐渐减小的截面。自闭合管引入件40
在其中没有管38时被设置成流体密封，而当管38穿过该自闭合管引入件延
伸时，自闭合管引入件密封地抵靠管38。作用于自闭合管引入件40的外部
的流体压力帮助将该自闭合管引入件与管38压在一起或抵靠管38。
除其它方面之外，多个封隔件42被设置在包括轴承套圈10、12的封隔
管8与壳体2之间，以阻止流体非期望地侵入轴承14。
由封隔组件18、20和密封元件30、32所限定的壳体2中的容积构成流
体室44，该流体室与流体端口16流体连通。
管状的排放柱46连接到上轴承套圈10并与其共同旋转。排放柱46下
部设有径向排放开口48。排放柱46的作用是在脱离连接期间抑制钻井流体
从管38流出。
排放壳体50从壳体2围绕排放柱46向上伸出。排放壳体50在其下部
连接到排放端口52，而排放壳体50在其上部设置有设计本身已知的可扩张
的密封/刮铲阀54。
现在参照图2。循环单元1连同下旋转单元60连接到线性驱动器62，
该线性驱动器62被设置用来使循环单元1和旋转单元60沿着井架66中的
导轨64竖直地移位。
这里，上旋转单元68沿着同一导轨64运行。通常包括钳(图中未示出)
和挂脱装置的旋转单元60、68是本身已知的设计，且被设置成能够保持钻
柱70并使钻柱70围绕钻井中心(线)6旋转。
具有关联的阀系统74的钻井流体装备(plant)72借助于第一钻井流体
管线76经由旋转联结部78被连接到保护接头80(该保护接头位于上旋转
单元68中)，借助第二钻井流体管线82连接到排放端口52并借助第三钻
井流体管线84连接到流体端口16。
钻柱70包括数个管38，这些管借助上联结部86和下联结部88以本身
已知的方式旋拧在一起。保护接头80形成有下联结部88。
当利用根据本发明的装置来执行连续钻井作业时，可按以下的方式来
执行：
在钻井序列的第一阶段，钻柱70通过循环单元1向上伸出。第一钻井
流体管线76经由旋转联结部78和保护接头80连接到钻柱70。钻井流体经
由保护接头80被供给到钻柱70。钻柱70由上旋转单元68保持旋转。在自
闭合管引入件40抵靠在钻柱70上的同时，上密封元件30、下密封元件32
打开，且钻柱70能够相对于循环单元1自由地移动。上旋转单元68和钻柱
70根据所获得的钻井速度向下移动。
在钻井序列的第二阶段，循环单元1和下旋转单元60向上朝向上旋转
单元68移动。钻柱70的上部管38的上联结部86和保护接头80的下联结
部88被移动到循环单元1的流体室44中。钻柱70被下旋转单元60(其接
管该钻柱的旋转操作)抓握。保护接头80在上旋转单元68中保持挂脱。密
封元件30、32分别封闭在旋转的钻柱70和保护接头80周围。钻井流体通
过流体端口16被供给到流体室44。在下旋转单元60使钻柱70旋转的同
时，保护接头80通过保持保护接头80返回的上旋转单元68而与钻柱70
脱离连接，参见图3。钻井流体到保护接头80的供给停止。在自闭合管引
入件40在保护接头80后面关闭的同时，保护接头80被拉出流体室44。在
经由排放端口52进行排放的同时，上密封元件30打开，保护接头80从循
环单元1退出，参见图4。通过下旋转单元60和循环单元1的旋转和移位
而维持钻井作业，且钻井流体通过流体室44维持钻井流体的供给，该流体
室借助自闭合管引入件40和紧密配合在一部分钻柱70周围的下密封元件
32而保持对周边环境封闭。
在钻井序列的第三阶段，待连结到钻柱70的下一个管38通过操纵器
(图中未示出)之类而被移动到钻井中心6中并保持在此固定。上旋转单元
68旋转保护接头89以将该保护接头连接到管38的上联结部86。当上密封
元件30打开时，管38通过其下联结部88被移位而进入循环单元1。上密
封元件30围绕管38封闭。管38的进一步移位使自闭合管引入件40打开。
钻井流体通过保护接头80被供给到管38，随后钻井流体通过流体端口16
的供给被停止，此时通过保护接头80为钻柱70供给钻井流体。在旋转情况
下，上旋转单元68移动管38以将其连接到钻柱70，管38旋转得比钻柱70
快。钻井流体通过保护接头80被供给到钻柱70。密封元件30、32可能在
循环单元1的流体室44已通过排空通道28被排干之后打开。
随着钻柱70以此方式钻入地下，通过相继地连接新管38，钻井作业从
阶段1重复操作而持续进行。
借助于根据本发明的装置，提供了一种用于在钻井期间连续供给钻井
流体的简单系统，并且钻井可在连续的过程下进行。所使用的重要单元并
不复杂，因为每个单元只被赋予了一个主功能，即：
a)上旋转单元68执行连接到保护接头80的钻柱70或管的挂脱、旋转
和竖直移位。
b)下旋转单元60执行钻柱70的挂脱、旋转和竖直移位。
c)循环单元1与保护接头80协作执行钻井流体装备72与旋转的钻柱
70之间的流体密封、可移位联接，以使钻井流体的供给在直接供给到钻柱
70与在连接阶段经由下一管38供给之间改变钻井流体。
根据本发明的循环单元1提供对于钻井流体的环境友好的操作，因为
在密封元件30、32从钻柱70等被释放之前，钻井流体的任何残留量可从循
环单元1中被排出。循环单元1的封隔组件18、20还确保了通过压力流体
(其通常还起到所述轴承的润滑剂的作用)提高旋转轴承14的耐用性等，
这是由于钻井流体被封隔件42阻止渗入轴承14，所以压力流体没有那么容
易被钻井流体污染。
通过使用循环单元1(其作用为仅需保持向钻井流体钻柱70供给钻井
流体，而与旋转单元60、68执行钻柱70和管38的挂脱和竖直移位无关)，
可以更合理地进行该装置对于其它管尺寸的调整，这是因为当旋转钳和挂
脱装置(图中未示出)中的抓握元件等被更换时，无需介入关闭的循环单元
1。
通过在循环单元中设有使循环单元1与第二旋转单元60相独立地竖直
移位的单独线性驱动器(图中未示出)，使下旋转单元60与循环单元1脱
离连接，从而由于在具有连续钻井流体循环的连续钻井期间具有更大的操作
自由度，可因此获得进一步的优点。