同步管件装卸系统.pdf

一种用于组装和运输油田管件立根的系统和方法，其通过一钻井夹板、一井架和一旋转系统使得钻井作业同步并独立地进行。离线导向路径水平-竖直臂(“HTV”)在同一平面内将水平放置在架空步道上的管件提起，而在线钻井作业也同步进行。立根臂将该管件提出或放入可调节的预备孔中，并运送这些管件，将其存放在井架上部的辅助管件吊架站。桥式桁架起重机将管件立根从辅助管件吊架站移至顶端驱动装置或另一管件吊架站。

1、  一种用于钻井的系统，包括：
钻井平台；
位于钻井甲板上的钻井结构，用于同步进行钻井作业和钻井作业的辅助操作；
设在所述钻井结构中的主管件运送站，用于将管件运送到油井中心；
设在所述钻井结构中的辅管件操作站，用于与所述主管件运送站的管件同步地装卸另一管件；
邻近所述辅管件操作站设置的导向路径水平-竖直臂，用于将辅助管件从水平的位置引导至所述辅管件操作站上方的竖直位置。

2、  如权利要求1所述的系统，进一步包括：
位于所述主管件运送站上方的第一管件吊架站；
位于所述辅管件操作站上方的辅助管件吊架站。

3、  如权利要求1所述的系统，进一步包括一顶端驱动装置。

4、  如权利要求1所述的系统，进一步包括一转盘。

5、  如权利要求1所述的系统，进一步包括：用于提升的绞车。

6.  如权利要求1所述的系统，其中所述主管件运送站具有钻井开口，且该系统进一步包括：
位于所述开孔径向向外位置的鼠洞；
具有对准所述鼠洞以及所述钻井开孔的移动轴的主管件操作站。

7、  如权利要求6所述的系统，其中所述导向路径水平-竖直臂被控制在不与所述主管件操作站移动轴相交的路径上。

8、  如权利要求6所述的系统，其中所述导向路径水平-竖直臂被控制在平行于所述主管件操作站移动轴的平面内。

9、  如权利要求1所述的系统，其中所述主管件运送站具有钻井开孔，且该系统进一步包括：
位于所述钻井开孔径向向外位置的鼠洞。

10、  如权利要求9所述的系统，其中所述导向路径水平-竖直臂被控制在不与所述鼠洞和所述开孔之间连线相交的路径上。

11、  如权利要求9所述的系统，其中所述导向路径水平-竖直臂被控制在平行于所述鼠洞至所述开孔之间的连线。

12、  如权利要求1所述的系统，其中辅助管件是钻杆。

13、  如权利要求1所述的系统，其中辅助管件是套管。

14、  如权利要求1所述的系统，其中辅助管件是立管段。

15、  如权利要求1所述的系统，其中辅助管件是生产油管。

16、  如权利要求1所述的系统，其中辅助管件是尾管。

17、  一种用于钻井的系统，包括：
钻井平台；
位于钻井甲板上的钻井结构，用于同步进行钻井作业以及钻井作业的辅助操作；
位于所述钻井结构以运送管件的油井中心；
位于所述钻井结构中的立根臂，用于与所述油井中心管件同步地装卸管件；
邻近所述立根臂设置的导向路径水平-竖直臂，用于将管件从水平的位置引导至邻近所述立根臂的竖直的位置。

18、  一种用于钻井的系统，包括：
钻井平台；
位于钻井平台上的钻井结构，用于同步进行钻井作业以及钻井作业的辅助操作；
设在所述钻井结构中并具有一油井中心的主管件运送站，用于将管件运送到油井中心；
设在所述钻井结构中的辅管件操作站，用于与所述主管件运送站管件同步地装卸辅助管件；
设于所述辅管件操作站的预备孔；
辅管件操作装置，用于将辅助管件定位在所述预备孔上方竖直的位置；
位于所述主管件运送站上方的第一管件吊架站，用于接受来自至少所述主管件运送站的管件；
位于所述辅管件操作站上方的辅助管件吊架站，用于保持来自至少所述辅管件操作站的管件。

19、  如权利要求18所述的系统，进一步包括：
位于所述主管件运送站上方的第二管件吊架站，用于接受来自至少所述主管件运送站的管件。

20、  如权利要求18所述的系统，其中所述辅管件操作站包括：
用于在所述预备孔和所述辅助管件吊架站之间移动所述辅助管件的立根臂。

21、  如权利要求20所述的系统，进一步包括：
用于在所塑辅助管件吊架站和所述主管件运送站之间移动所述辅助管件的桥式桁架起重机。

22、  如权利要求21所述的系统，其中所述起重机交替地在所述辅助管件吊架站与所述第一管件吊架站之间移动所述辅助管件。

23、  如权利要求20所述的系统，其中所述辅管件操作装置组装多根辅管件操作站的管件，使得移至辅管件操作站的第一管件位于该组装管件的顶端。

24、  一种执行钻井作业的方法，该方法通过至少部分地执行于主管件运送站和至少部分地执行于辅管件操作站来执行，该方法包括如下步骤：
(a)穿过钻井甲板上的开口钻一个孔，其中一鼠洞位于所述开口径向向外的位置；
(b)将至少一根管件送入该孔的一部分；
(c)在执行步骤(a)和(b)的至少一部分时间内，同步地在不与开口和鼠洞之间连线相交的导向路径上移动辅管件操作站管件，其中步骤(c)独立地执行，并在执行步骤(a)和(b)的至少一部分相同时间内执行，以减少从步骤(a)至(c)所需要的总体时间。

25、  如权利要求24所述的方法，其中所述移动辅助管件的步骤包括在平行于该开口和该鼠洞之间连线的平面内移动该辅助管件。

26、  如权利要求24所述的方法，进一步包括步骤：
完成步骤(a)和(b)的过程中，包括如步骤(b)中所述的将管件送入鼠洞的一部分，以及如步骤(c)中所述的移动辅助管件，使得步骤(b)和(c)基本上同一时间完成。

27、  如权利要求25所述的方法，进一步包括钻井甲板上邻近该辅管件操作站的辅助开孔，进一步包括步骤：
将辅助管件从第一水平位置引导至第二水平位置，
在同一平面内将辅助管件从第二水平位置引导至对准辅助甲板开孔的竖直位置。

28、  如权利要求27所述的方法，进一步包括步骤：
将辅助管件从对准辅助开口的竖直位置向外移。

29、  如权利要求28所述的方法，进一步包括步骤：
将第二辅助管件从第一水平位置引导至第二水平位置，
在同一平面内将第二辅助管件从第二水平位置引导至对准辅助开口的竖直位置。

30、  如权利要求28所述的方法，进一步包括步骤：
将第一辅助管件与第二辅助管件连接；
将连接好的管件从对准辅助开孔的竖直位置向外移。

31、  如权利要求30所述的方法，进一步包括步骤：将连接好的管件从辅助开口提升至一管件吊架站。

32、  如权利要求31所述的方法，进一步包括步骤：将连接好的管件从管件吊架站移动到与钻井开口对正的竖直位置。

33、  如权利要求24所述的方法，其中该辅助管件是钻杆。

34、  如权利要求24所述的方法，其中该辅助管件是套管。

35、  如权利要求24所述的方法，其中该辅助管件是立管段。

36、  如权利要求24所述的方法，其中该辅助管件是生产油管。

37、  一种在钻井甲板上钻孔的方法，所述方法至少部分地执行于主管件运送站，至少部分地执行于辅管件操作站，该方法包括如下步骤：
(a)穿过钻井甲板上的一开口钻所述孔，其中一鼠洞位于钻井开口径向向外的位置；
(b)将至少一根管件置入该孔的一部分内；
(c)在执行步骤(a)和(b)的至少一部分时间内，同步地在不与钻井开口和鼠洞之间连线相交的导向路径上移动辅助管件，其中步骤(c)独立地执行，并在执行步骤(a)和(b)的至少一部分相同时间内进行，以减少了执行(a)至(c)步骤所需要的总体时间。

38、  如权利要求37所述的方法，其中所述移动辅助管件的步骤包括在平行于所述钻井开口与鼠洞之间连线的平面内引导该辅助管件。

39、  一种在钻井甲板上钻孔的方法，所述方法至少部分地执行于主管件运送站，至少部分地执行于辅管件操作站，该方法包括如下步骤：
(a)穿过钻井甲板上的一开口钻所述孔；
(b)沿着移动轴将管件移至所述主管件运送站开口；
(c)在执行步骤(a)和(b)的至少一部分时间内，(i)同步地在不与该移动轴相交的导向路径上将辅助管件移至所述主管件运送站开口；(ii)将该辅助管件提升至辅助管件吊架站，其中步骤(c)独立于步骤(a)和(b)，并在执行步骤(a)和(b)的至少一部分相同时间内执行，以减少了执行(a)至(c)步骤所需要的总体时间。

40、  如权利要求39所述的方法，其中所述移动辅助管件的步骤包括在平行于所述移动轴的平面内将该辅助管件引导至钻井开口。

41、  如权利要求39所述的方法，进一步包括步骤：
连接多个辅助管件；
从辅管件操作站将该连接好的管件提升至辅助管件吊架站。

42、  如权利要求41所述的方法，进一步包括步骤：
将连接好的管件从辅助管件吊架站移至对准钻井开口的竖直位置。

43、  如权利要求39所述的方法，其中该辅助管件是钻杆。

44、  如权利要求39所述的方法，其中该辅助管件是套管。

45、  如权利要求39所述的方法，其中该辅助管件是立管段。

46、  如权利要求39所述的方法，其中该辅助管件是生产油管。

同步管件装卸系统
相关申请的参见
『0001』无
关于联邦资助研究开发的声明
『0002』无
缩微胶片附件
『0003』无
背景技术
[0004]1.技术领域
[0005]本发明涉及在钻井作业同步并独立地进行着的时候，在单独的钻井甲板、井架和旋转系统中或它们周围运输、安装、贮存及拆卸油田管件的新方法和系统。
[0006]2相关现有技术
[0007]在海上和陆地利用旋转式钻塔钻取石油或天然气的深度越来越深。深度的增加也就意味着钻油时间的增长以及费用的增加。用于这种钻塔运行费用已经相当的高(一些海上钻井平台的租金每天甚至超过400,000至500,000美元)。因此，任何独立于钻井操作以节省哪怕少量时间的生产运行都在经济上很有意义。
[0008]术语“管件”在这是指所有类型的钻杆(包括重型钻杆，例如HEVI-WATETM管)、套管、钻铤、尾管、井底组件以及现有技术中其它类型的管。HEVI-WATETM是得克萨斯州休斯顿史密斯国际有限公司的注册商标。当管件串的一小部分在钻井甲板上延伸时，钻井的运转时常被中断。其它管件必须从贮存架移出并与管件串的顶端连接，这将很大程度地耽误钻井作业的进行。典型的单根钻杆段的长度为30英尺(大约10米)。将两个或更多的管件单段连接在一起从而形成立根。过去，立根通常由四个或五个管件单段组装或组成。通常在旋转台上采用顶端驱动旋转系统来转动钻柱，也是现在旋转钻井中普遍采用的方法。顶端驱动的一个好处在于可使用预先组装好的管件立根。因此，独立于钻井过程来形成和操作管件立根是一种潜在的节省时间和费用的重要方法。
[0009]Lund的美国专利US4,850,439中公开了一种与钻井运转同时进行的装卸管件的方法和系统，其公开的内容以参引的方式结合到本文中。Lund采用一种预备孔和辅助升降机进行立根离线组装。Lund提出，在钻井运转的同时，当辅助升降机向上移动时将第一管件提升到竖直位置，从而将管件悬至缆索上并继而降下，放入预备孔中。Lund提出，另一管可悬至第一管件上方并进行连接(专利‘439，第7栏第58行至第8栏第19行)。至于第三个管件，如果预备孔顶端之下的自由空间小于两个管件的长度，Lund提出采用另一个辅助升降机。在这种情况下，必须将预备孔从第一辅助升降机的竖直悬挂线上移开或与其形成一倾斜角度(专利’439，第9栏第58行至第10栏第46行)。
[0010]新加坡的斯梅德维格(Smedvig)亚洲股份有限公司提供了另一种离线组装立根的方法和系统。Smedvig采用自动提升的海上供应船钻塔将钻井设备运送并安装至平台上。在将钻井设备安装在平台上之后，Smedvig采用了将管件从供应船钻塔运送到平台上的高架缆索系统、位于井架顶端的平行于钻井甲板移动的桁架起重机、以及两个预备孔。
[0011]Smedvig建议，在平台上进行钻井作业时，可在水平位置将钻塔上的单根管件的两端手动连接至高架缆索系统。该高架缆索系统是用于提升管件并将其从钻塔上跨过水面运送至位于平台上的管件坡道。然后手工将一个由缆索连接于桁架式起重机的提升装置的夹紧装置连接于管件坡道上的管件的上端。管件继而被提升至竖直位置，并由缆索悬挂在第一预备孔上方。随后，将该管件放入该预备孔中，最后松开夹紧装置。可对第二管件重复上述步骤，将其悬空送入第二预备孔中。同样可以对第三管件实施该步骤，将其与第一管件连接，从而形成双立根。接着，通过桁架式起重机提起该双立根，并将其放下与第二管件连接，从而形成三元组。桁架式起重机将组装后的立根提起并运送至井架顶端竖直的管件存放架。Smedvig还提出该第一预备孔可具有一用于容纳不同尺寸管件的可调节底部。
[0012]Berry的美国专利US6,976,540中披露了另一离线立根组装的方法和系统，其公开的内容以参引的方式结合到本文中。Berry在该申请中提出的方案中包括负载和预备钻杆的装卸装置(“预备装置”)，存放钻杆的操作装置(“存放装置”)和井架顶端的管件存放区。该预备装置包括可围绕其纵轴旋转的竖直桁架。该预备装置还包括连接于从竖直桁架伸出的升降缆索端部的夹紧装置。该夹紧装置手动地连接于已经被放置在架空步道上的预备装置或钻杆坡道附近的管件一端，管件，从而当缆索向预备装置缩回时，被提升的管件由缆索悬挂着，这类似于Lund和Smedvig系统。
[0013]Berry提出，桁架随后通过一环形轨道将竖直管件悬挂入第一预备孔，其已经沿着该轨道放置。该预备装置接着可将第一管件放入第一预备空中。其采用两个预备孔来实施立根的组装，类似于Smedvig系统。该预备装置随后将该组装后的立根竖直提升至该井架顶端，并直接与该存放装置进行交接，该存放装置可以为钻井作业存放或运送该立根(‘540专利，第7栏第26-40行和第8栏第30-35行)。
[0014]采油工业已经具有在线将管件从管件坡道上的水平位置运送至钻井中心的竖直位置的系统。Brittian等人的美国专利US4,834,604公开了这样的一个系统，其公开的内容以参引的方式结合到本文中。Brittian提供了连接至悬臂的定位板，该悬臂转动安装在靠近钻塔的基座上。该定位板直接将管件从水平位置穿过V型通道运送到竖直位置，从而形成管件与管件串之间的连接。Sorokan的美国专利US6,220,807揭露了另一个系统，其公开的内容以参引的方式结合到本文中。在线钻杆装卸系统是采用枢转地连接至钻塔的双头臂组件，以及均枢转地连接至该双头臂组件的前臂组件和夹头组件。该夹头组件夹取水平放置在靠近钻塔的管件架上的管件，并将其旋至钻井中心上方的竖直位置。
[0015]Skogerbo的公开号US2006/0151215的文献中提供了一种将管件从水平位置转为竖直位置的装卸系统。Skogerbo公开了一种EagleLight/HTV-Arm，得克萨斯州休斯顿市的Aker Kvaerner MH销售这种装置。Eagle Light/HTV(水平至竖直)装置用于在线将管件从架空步道上的水平位置直接运送到井架上的竖直位置，从而直接位于钻井中心上方的，或进入鼠洞之中。Aker Kvaerner MH还销售桥式起重机系统以及存放指梁。得克萨斯州休斯敦市的国际油井Varco也制造了一种类似的HTV在线钻杆装卸设备。
[0016]Simpson等人的美国专利US6,705,414中揭露了另一种用于在桁架上的水平位置与油井中心上方的竖直位置之间运送管件的在线方法和设备。Simpson提出了一种用于在架空步道水平位置上组装管件立根的装配机械。组装好的立根位于吊车吊取的水平位置，并且在钻塔入口处变成竖直方向。缆索绞盘将被吊车夹紧的立根向前并向上拉到一轨道上。位于井架上部的竖直桁架装置用来运送来自吊车的立根。
[0017]上述管件装卸方法和系统的缺点包括人与管件之间的接触以及多个阶段多个位置的提升设备，这些将导致昂贵的延期或人身伤害。对准以及运送操作过于冗长并且复杂。离线立根组装中管件的路径受到限制，这也将引起延期并存在安全隐患。当设备被用于在线的钻井作业中时，离线立根组装操作将被中断。因此，期望一种用于装卸管件的更有效的方法和系统，其能最小化或消除人体与管件和提升装置之间的接触，在整个离线操作中约束并控制管件的路径，将管件的低效率移动最小化并消除管件组装和钻井作业中任何可能的中断。
发明内容
[0018]本发明提供一种用于组装和操作油田管件立根的系统和方法，其用于单独的井架、钻井甲板和旋转系统，并将离线立根组装步骤与钻井过程分离。导向路径水平-竖直臂(“HTV”)将水平放置在架空步道上的一些管件提起，并继而将这些管件移至一个单独的竖直面内，使得不会与钻井作业相互干涉，并且减少了多个铰接动作。HTV使得管件在所述架空步道和预备孔之间移动，从而对管件立根进行组装或拆卸。定位一个立根臂来升降管件，将其放入/拉出预备孔，并竖直地运送这些管件，从而将它们存放入位于井架上部的辅助管件吊架站。
[0019]同样装在井架上部的桥式桁架起重机将管件立根从辅助管件吊架站上移走，并将它们运送至顶端驱动器或井架上的另一管件吊架站。通过该辅助管件吊架站，离线立根组装过程得到优化，当桥式桁架起重机由于其需要参与到同时进行的钻井作业而不可用时，离线立根组装过程不会被中断。
附图说明
[0020]通过对附图中所公开的各实施例进行如下的详细说明，将能更好地理解本发明。
[0021]图1是本发明中钻塔示例性实施方式的正视图。
[0022]图2是沿图1中线2-2所示的架空步道、主管件运送站、主管件操作站以及辅管件操作站的局部平面图，；
[0023]图2A是立根臂、预备孔、以及辅助管件吊架站的平面图，与图2以及其它附图不同的是，本图中示出了这些部件处于彼此不同的替换位置。
[0024]图3是沿图1中线3-3所示的桥式桁架起重机、辅助管件吊架站以及第一和第二管件吊架站的局部平面图。
[0025]图4是沿图1中线4-4的局部视图，示出了桥式桁架起重机、第一和第二管件吊架站，并以虚线示出了桥式桁架起重机的不同位置，带有或不带有套管框架。
[0026]图5是沿图1中5-5线的局部视图，示出了钻塔V型通道以及导向路径水平-竖直臂(“HTV”)。
[0027]图6是管件HTV的放大正视图，以实线示出管件处于水平位置，虚线示出管件位于竖直位置管件。
[0028]图7是将管件图6围绕竖直轴线旋转90度得到的HTV的正视图，图中管件位于水平位置。
[0029]图8是本发明桥式桁架起重机放大的局部正视图。
[0030]图9是桥式桁架起重机上用于搬运套管段或立根的附件的详细的正视图。
[0031]图10是预备孔的剖视图，其示有滑轮缆索的部分用虚线示出。
[0032]图11是围绕图10中竖直轴线旋转90度的视图，示出了预备孔。
[0033]图12是图11中所示的本发明预备孔的局部放大图。
[0034]图13是沿图10中线13-13的预备孔的截面图。
[0035]图14是沿图10中线14-14的预备孔的截面图。
[0036]图15是沿图10中线15-15的预备孔的截面图。
[0037]图16是沿图2中线16-16的正视图，其示出了HTV降下，以夹紧位于第一水平位置的管件的。
[0038]图17是类似于图16的视图，其中HTV和管件被提升至第二水平位置。
[0039]图18类似于图16，其中HTV将管件引导到与预备孔对准的竖直位置，如图10和11所示，还示出了甲板起重机将套管段(casingsection))运送至在线滑架(online carriage)，以送往油井中心。
[0040]图19类似于图16，示出HTV将管件下降到预备孔中，同时套管段定位在滑架上。
[0041]图20类似于图16，图中HTV提升，立根臂将钻杆段提起并偏离预备孔，同时，顶端驱动装置夹住被在线滑架朝着油井中心运送的套管段。
[0042]图21类似于图16，其中HTV夹住第二钻杆段，而油井中心上方的在线顶端驱动装置同时将套管段放低。
[0043]图22类似于图16，其中第二钻杆被定向至与预备孔对准，与此同时，在线顶端驱动装置将套管段放入油井中心。
[0044]图23类似于图16，其中第二钻杆段被放入预备孔中并通过管件拼接装置与第一钻杆段相连，与此同时，套管段下降到油井中心。
[0045]图24类似于图16，示出在将第三钻杆段定向至与预备孔对准之前，HTV将第三钻杆段提升至第二水平位置，立根臂将已连接的第一和第二钻杆段提出并偏离预备孔，从而使得该第三钻杆段能进入到预备孔中。
[0046]图25类似于图16，通过管件并接装置将第一和第二管件与第三管件相连。
[0047]图26类似于图16，立根臂将三管件组成的立根从预备孔中提升至辅助管件吊架站。
[0048]图27类似于图16，示出如图3、4和8中所示的桥式桁架起重机从辅助管件吊架站夹起管件立根并将其移至钻杆吊架站。
[0049]图28类似于图16，其中HTV夹持的套管段位于第二水平位置，与此同时，带有如图9所示套管附件的桥式桁架起重机将套装好的套管立根放置在辅助管件吊架站上。
[0050]图29类似于图16，示出顶端驱动装置将套装段从油井中心提出并将其放下至滑架上，滑架顶端的搁置滑车受到驱动，沿按照箭头所示的方向运动，使套管段产生倾斜；
[0051]图30A、30B和30C是本发明同步钻杆装卸系统的电路图。
具体实施方式
[0052]本发明提供了一种用于离线组装管件立根的系统和方法，其中钻井作业是同步并独立地进行。如附图所示，此离线立根组装包括管件从靠近井架10的V型门道26的架空步道22上的水平位置移动管件，利用水平-竖直臂48在相同平面内将管件提升并定向至直接位于预备孔46上方的竖直位置，将处于竖直位置的管件降入预备孔46中，利用立根臂58移动竖直位置的管件，从而通过辅助管件拼接装置56将这些管件连接成立根，并将该立根竖直地运送至位于井架10上部的辅助管件吊架站60。桥式桁架起重机86从辅助管件吊架站60上将管件运送至顶端驱动装置12，或第一或第二管件吊架站128和130。
[0053]图1示出了本发明的钻塔实施例，其总体上以用R表示。虽然示出的是海上悬臂自升式钻塔R，其它的钻塔或结构及实施例也适用于本发明，无论海上钻井或陆地钻井。例如，本发明同样能应用到如半潜式钻井、坐底式钻井、钻井船、驳船式钻井、平台式钻井或陆地钻机。同样地，虽然下文是根据油田钻井为例进行描述，其公开的实施例也可用在其它非石油流体的运行环境。另外，虽然优选采用顶端驱动装置或动力钻井旋杆，本发明也可以采用其它旋转系统，包括但不局限于转盘。
[0054]参见附图1和2，钻井结构或井架10在钻井甲板16上延伸。顶端驱动装置12或动力钻井旋杆优选用于转动钻柱和井眼内的钻头。顶端驱动装置12利用传统的方式悬挂在滑动块之下。钻井升降机或绞车安装在井架10上，如本领域技术人员所知晓的那样。顶端驱动装置12竖直地对准钻井甲板16上的油井中心14。甲板旋转起重机18安装在钻塔R上，用于提升和移动管件20。
[0055]架空步道
[0056]图2中，架空步道22支撑在钻井甲板16旁的架空步道桁架结构24的顶端。从图5看得最清楚，该架空步道22与钻井甲板16位于同一平面，并且靠近井架10的V型门道26。虽然示出的是单个V型门道26，但应当了解该井架可包括多于一个的V型门道，并本发明中管件的运送和移动可以穿过不同的V型门道。回到附图2，架空步道的在线一侧或主要一侧具有主管件装卸站28，其包括一纵轴线或中心线基本上对准油井中心14的主滑架30。该滑架30上的机械驱动的推杆滑车38用于将管件36移至油井中心14或从油井中心移开。虽然图中示出的是单个的架空步道22和架空步道桁架结构24，应当了解也可以采用两个不同的架空步道以及支撑结构来支撑主管件装卸站28和总体上用54表示的辅管件装卸站，下文将进行介绍。另外，还应当理解，这两个不同的架空步道可设在不同的方向和/或不同的高度。虽然支撑架空步道桁架结构24的柱体的基座25(图17)是以固定的形式示出，应当理解，当其设置成在井位之间移动时，可在基座上采用辊子从而使得架空步道桁架结构24能与钻井甲板16和井架10之间形成滚动。
[0057]主管件运送站13至少包括油井中心14。同样地，钻杆起重机、顶端驱动装置12，管件拼接装置42以及其它需要将管件运送至油井中心14的设备都可以设在该主管件运送站13上。鼠洞32位于油井中心14径向向外的位置，并大致位于油井中心14和滑架30纵向中心线之间的直线上。滑架具有在架空步道22顶端两平行轨道34上滚动的轮。该轨道34跨过钻井甲板16延伸至油井中心14附近的位置。
[0058]如图2所示，滑架30顶端可放置单个管件36。滑架30将管件36从主管件装卸站28沿着轨道34运送至鼠洞32或油井中心14。其轮在滑架30顶端平行轨道上滚动的推杆滑车38，推动管件36朝着油井中心14或鼠洞方向移动。液压提升器39(如图20中所示的)位于最靠近油井中心14的滑架30的端部。滑架30上表面的一段装有铰链，从而使得液压提升器39可将没装铰链的一端提起，以提升管件36的最接近油井中心14的一端。顶端驱动装置12或其它类似的设备继而与管件36接合以进行提升。当管件36从油井中心14移开时，便将推杆滑车38替换为搁置滑车40(图2所示为存放中，图29所示为使用中)，从而当滑架30靠近油井中心14移动时，用来接收竖直管件的下端。遥控操作的管件拼接装置42(对钻工这样的本领域技术人员是已熟知的)位于油井中心14和鼠洞32附近，用来组装和拆卸管件立根。
[0059]HTV
[0060]再如图2所示，架空步道22的离线侧或辅助侧具有用于水平存放管件的钻杆架43。如下文所述，钻杆架43设计成用于放置管件44，使其与预备孔46大致对准。后面还要详细说明，管件44优选与预备孔46对准，从而利用水平-竖直臂48(称之为HTV)实现管件的定向路径移动。该钻杆架43优选存放大约5根附加管件。任何类型的管件都可以放置在HTV48夹取的区域。优选如图5中的正视图所示，钻杆架43具有液压操作的索引臂组件50，其朝着HTV48的夹取位置滚动管件。液压驱动的分离器52分离出来一根将要被HTV48夹取的管件44。钻杆架43也被做索引的或做标记，从而使得甲板起重机18的操作者可将管件放置在匹配的位置。甲板起重机18是用于将管件放置在架空步道22的两侧(参见附图18)。滑架30上以及钻杆架43上的管件均位于水平位置，两者相互平行，且能穿过井架10的V型门道26。
[0061]图2中示出了一辅管件装卸站，其总体用54表示。辅管件装卸站54包括至少一个立根臂或夹取臂58。同样地，还可在辅管件装卸站54上或其附近设置HTV48、预备孔46和辅助管件拼接装置56(例如铁钻工)。图2A展示出了立根臂58能够夹取管件，在下降时夹取钻井甲板16上的预备孔46内的管件，在提升时夹取安装在井架16(如部分剖视图所示)高处的辅助管件吊架站60上的管件。图2A示出图2和其它附图中所示的立根臂58与辅助管件架60相对位置关系的替换方式。图5和7示出了从架空步道22看去的辅管件操作装置或HTV48。图6最佳地示出了HTV48的具有夹子62A和62B的夹取组件62，其如图6和7中所示的那样夹取管件。HTV48具有一个单臂。利用提升机65驱动滑车组件64(如图16所示)使得HTV48竖直移动并与钻井甲板16正交，该滑车组件安装在连接于竖直框架68上的两轨道66之间，该框架连接至该井架10。该升降机也可安装在钻井甲板16上。可以用齿轮齿条或液压缸机构代替提升驱动系统。HTV48设计成能从架空步道22离线侧的钻杆架43上夹取基本水平的管件，从架空步道22竖直提升该管件，同时保持管件基本水平地到达第二水平位置(如图17所示)，并随后将管件在同一平面旋转90度，以使得管件72竖直地对准预备孔46(如图18所示)。HTV的尺寸、形状和结构在此只是作为示例进行描述，其它尺寸、形状和结构也可以用来使得管件产生同样的定向移动。
[0062]预备孔
[0063]预备孔46如图10至15所示。该预备孔的深度可根据放入其中的管件的不同长度来调节。该可变长度需要容纳，例如，钻杆(27至32英尺)和套管(37至43英尺)。还可以调节预备孔46的深度，使得足以让管件延伸至钻井甲板16上方，以允许辅助管件拼接装置56能夹取孔46中的管件，并与孔46上方的其它管件连接或脱开。HTV48还可以将管件的下端放入预备孔46中，且管件在被HTV放开后可独立进入到孔中，如图10至15所示。预备孔46可容纳如完井油管(completion tubing)这种小管(例如，外径27/8英尺)，以及如套管这种大管(例如，外径95/8英尺)。由于不同直径的管件都要放在预备孔46中，这样，预备孔46需要包括定心装置来对管件定心，从而保持管件的竖直中心线竖直对准于预备孔46的竖直中心线。该定心装置可包括可冲气元件或液压径向向内驱动元件来对管件定心。
[0064]立根臂
[0065]回到图2和2A，立根臂58可夹取单根管件20，或两根或更多管件构成的立根。优选的是，立根臂58具有连接在伸缩臂76端部的夹头74。夹头74允许管件在其夹持状态下旋转，因为管件具有螺纹。管件的夹持点位于管件“加厚”位置下方一点，此处管件的外径(OD)是变化的。从图20可以最清楚地看出，立根臂58安装在提升机78驱动的滑车组件80上(如图2A的平面图)，该组件在竖直方向上并垂直于钻井甲板16移动。滑车组件在附于基本竖直的框架68的两条竖直轨道66上移动，该框架安装在井架10上。虽然所示提升机是位于竖直框架84的顶端，应当理解，该提升机也可安装在钻井甲板16上。虽然示出的是提升机驱动系统，应当理解，也可以用齿条齿轮或液压缸驱动系统替代。如图2所示，立根臂58可沿着滑车组件80的纵轴在水平平面内移动，该纵轴线平行于管件44与预备孔46之间的连线。可采用伸缩臂76(见图2A)来允许立根臂58在垂直于管件44与预备孔46之间的连线的水平平面内伸出或缩回。虽然在如图2中立根臂58不能围绕竖直轴线旋转，而在如图2A所示的替换方式中，其能围绕竖直轴线在水平平面内绕枢销8A旋转。在这两个实施方式中，当立根臂位于靠近钻井甲板16的最低位置时，伸缩臂76都可伸出去，用夹头74夹取伸出预备孔46的管件。立根臂58用来将管件或立根提出预备孔46，随后缩回并旋转或移动，从而将管件或立根保持在辅管件操作站54区域内的一个基本竖直的位置上，但该位置让开了HTV移动管件至预备孔46的路径。立根臂58也可以逆向进行这些步骤，以控制管件或立根从辅助管件吊架站60至预备孔46的移动，利用辅助管件拼接装置56进行拆卸。立根臂58的长度和负载能力可根据不同尺寸管件的结合进行调节。立根臂58还可以控制管件立根在井架10上方的一竖直位置上的移动，并将其放置在辅助管件吊架站60上。
[0066]桥式桁架起重机
[0067]如图3和4所示，桥式桁架起重机86安装在井架10的上部。用在桥式起重机86上的两个平行的水平支撑梁88在井架上部与井架立杆90相连。各支撑梁88优选位于离油井中心14相等距离的位置，从而使得桥式起重机86的中心可对准于油井中心14竖直地移动。轨道92架设在各支撑梁88的顶端。起重机的桥架横梁94水平跨在两支撑梁88之间，并与此二支撑梁垂直。起重机桥架横梁滑架组件96(见图4和8)具有附于并搁放在各相应轨道92上的轮98。如图4所示，至少一端滑架组件具有齿条齿轮驱动单元100，用于沿着轨道92移动该桥架横梁94。如图4和截面图8所示，横向移动单元102架设在桥架横梁94上。横向移动单元102具有在桥架横梁94上滚动的轮104和齿条齿轮驱动单元106，以沿着桥架横梁94的长度方向移动横向移动单元102。横向移动单元102下方的转盘108与架设在横向移动单元102下方的桅杆以及捡拾桁架110相连。转盘108允许桁架110围绕一竖直轴线旋转，如图4所示。如图8所示，夹头组件112通过滑车组件114安装在桁架110上。滑车组件114的轮116在架设在桁架110上的竖直轨道118上滚动。滑车组件114通过一套滑轮120来实现上升或下降。虽然示出了一套滑轮系统120，应当理解，也可以采用其它系统，例如齿条齿轮以及液压缸。
[0068]由于套管和钻杆的长度不同，套管立根通常由两根管件构成，而钻杆立根通常由三根管件构成。如图9所示，当操作套管时，可在安装在桁架110上的滑车组件114上附加一套管框架122。套管框架122在存储吊挂点连接于滑车组件114。套管框架122具有套管夹头126，其用于夹住处于竖直位置的套管的加厚或管箍处。
[0069]管件吊架站
[0070]如图3和4所示，井架10上装有三个用于存放管件立根的管件吊架站。第一管件或套管吊架站128(在图4中正视出)设在比第二管件或钻杆吊架站130低的位置。这是为了将像套管这样的较短的管件立根放置在第一管件吊架站128上，而像钻杆这样较长的立根则放置在第二管件吊架站130上。第一和第二管件吊架站(128，130)是本领域技术人员所熟知的传统指梁。遥控操作的套管矛或矛状器具129用来将管件夹持到存放位置。当井架配置不包括延伸出井架10封套或底座的套管矛或矛状器具129时，也可以采用传统指梁，例如用在第一和第二管件吊架站128和130上的。辅助管件吊架站60安装在第一管件吊架站128之下。桥式桁架起重机86可在三个管件吊架站以及油井中心14的上方移动。可将管件运进或运出三个管件吊架站。桥式起重机也在顶端驱动装置12与三个管件吊架站之一之间运送管件。井架人工控制站室132(如图4所示)安装在井架10上部，用来控制桥式起重机86、辅助管件吊架站60和第一和第二管件吊架站128和130。井架人工控制站室132的控制框图如图30A所示。钻台控制站室134安装在钻井甲板16上的井架10上(如图5所示)，用来控制HTV48、立根臂58、预备孔46和滑架30。钻台控制站室134的控制框图如图30B所示。图30C示出了带有中央动力单元140的该两控制站之间的连接。
[0071]采用的方法
[0072]离线
[0073]本发明还涉及一种离线组装立根的方法，而钻井作业同步并独立地进行。应当理解，当离线立根组装操作如下所述进行时，钻井作业可以同步进行。例如，当进行离线立根组装时，桥式桁架起重机86将组装好的立根从三个管件吊架站60、128、130之一移出，并将它们运送至顶端驱动装置12，以进行钻井或放置在油井中心14中。作为一种选择，如管件36这样的单根水平管件，可从滑架30直接送至靠近油井中心14的位置。顶端驱动装置12可连接至单根管件20的端部(图20)，将其提升至竖直位置(图21)，并将其移进或接入至在油井中心14上方延伸的管件。顶端驱动装置12可参加钻井作业，并当需要另一管件时可重复该步骤。
[0074]应当理解，虽然下面描述的是组装三根管件构成的立根的方法，同样的方法可用于采用其它数量管件构成的立根结构。基于这样的了解，根据本发明的所述方法的示范性实施方式，离线管件立根可通过以下方法组装：
[0075]如图16所示，HTV48夹取位于架空步道22离线侧管件架43上单根管件44(下文中称为第一管件)，此时位于第一水平位置。沿垂直于架空步道22的方向将第一管件44直线提升至第二水平位置，如图17所示。接着在同一平面内将该管件旋转90度，从而使其在竖直方向上对准预备孔46(如图6(点划线图)和图8所示)。如图19所示，HTV48接着将该竖直管件44直线放入预备孔46中，此时，HTV48将管件44松开。调节预备孔46以使得当管件44被松开的时候，管件44的一部分保持在钻井甲板16上方。HTV48在竖直方向上直线上升，与此同时，转回90度至第二水平位置(图20)。在HTV48的上述动作发生的同时，处于靠近钻井甲板16的最低竖直位置的立根臂58(如图2A透视图所示)，伸至预备孔46并夹住第一管件44。如图20所示，立根臂58将管件44提出预备孔46并将该管件保持在竖直位置。立根臂58继而缩回并移动和/或旋转，将竖直管件移离与预备孔46竖直对准的位置并来到辅管件操作站58的区域，从而不会妨碍HTV48的路径。
[0076]如图21所示，HTV48降到第一水平位置，在此夹取另一单根管件70(下文中称为第二管件)，其已经被索引臂(indexing arm)组件50滚入适当的位置，该组件位于架空步道22离线侧的钻杆架43上。HTV48随后直线移至第二水平位置，其类似于图20位置，并再次在同一平面内旋转90度对准第二管件，这样，其竖竖直地位于预备孔46上方(图22)。HTV48将第二管件70降到预备孔46中，并将其松开。HTV48继而同步地直线上移并旋转90度回到第二水平位置。如图23所示，与此同时，立根臂58伸出并移动或旋转回来，从而竖直地对准预备孔46上方的第一管件44。立根臂58继而降低第一管件44，以使得辅助管件拼接装置56将其与第二管件70相连(图23)。立根臂58继而将管件立根(44、70)提出预备孔46，并再次缩回且移动或旋转，从而将竖直立根(44、70)移开HTV48与预备孔46的对准线。如图24所示，当立根臂58进行这样的操作时，HTV48同步地以上述同样的方式夹取、提升并旋转第三管件72。HTV48将第三管件72放入预备孔46中，并将其松开。同样地，第三管件72的一部分保持伸出预备孔46之外，位于钻井甲板16上方。该立根臂58将管件立根(44、70)移回与预备孔46对准的位置，并将该立根(44、70)放到第三管件72上方，从而通过辅助管件拼接装置56与其相连(图25)。
[0077]如图26所示，立根臂58将组装好的立根(44、70、72)提出预备孔46，并将其在一竖直位置上移至辅助管件吊架站60，进行放置并将其松开。立根臂58可根据需要伸出并移动或旋转，从而在预备孔46(如图2A点划线所示)和辅助管件吊架站60(如图2A实线所示)之间移动管件。然而，辅助管件吊架站60优选大约能容纳10根管件，也可以设计成其它容量。
[0078]如图27所示，当不执行在线操作时，桥式起重机86可将管件立根(为图示目的，图中示出为管件立根(44、70、72)，虽然吊架站60也可采用其它的立根)从辅助管件吊架站60移走。桥式起重机86可根据需要将立根移至第一或第二管件吊架站128或130，或者它也可以直接将立根移至顶端驱动装置12。图28示出了对套管管件立根(44A、70A)所进行的同样的操作。套管框架122连在桥式起重机86上，用来操作已经置于第一管件吊架站128上的套管立根。可遥控操作的套管矛129的端部示于第一管件吊架站128中。
[0079]现在，从以上描述可知，当桥式起重机86用于在线操作时，离线立根组装过程仍然可以继续，而不会中断。桥式起重机86不是离线立根组装的关键环节。桥式起重机86可在离线或在线操作下工作，并且不会妨碍其它操作的速度和功能。
[0080]在线
[0081]虽然图16至28描述的内容是有关于离线操作，而图18至22还图示了主钻井作业或在线钻井作业如何能与这些离线操作同步进行。如图18所示，甲板起重机18将管件20放在滑架30上，同时离线操作也在进行当中。如图19-20所示，滑架30将管件20移过钻井甲板16并移向油井中心14。液压驱动前管件提升器39将靠近油井中心14的管件20端部轻微提起，在那里顶部驱动器12抓取管件(图20)。然后，顶部驱动器12将管件20提起到竖直位置(图21)，与油井中心14对正，随后将管件20放下(图22)。可对第二管件再次执行以上步骤，从而将第二管件定位，通过管件拼接装置42将第二管件与伸出油井中心的管件相连。
[0082]搁置
[0083]在线和离线操作也可以同步独立地按照与上述步骤相反的顺序执行，以去除、拆接以及放下管件。在主操作或在线操作中，顶端驱动装置12上拉管串穿过油井中心14，从而通过管件拼接装置42从管串中将单根管件或管件立根拆开，如果钻管立根被拆开，其将被提升至井架10上并转到桥式起重机86，并运送至某个管件吊架站。可同步并独立地拆接管件立根，并利用立根臂58和HTV48将其移至架空步道22离线侧的管件架43上。如果对单根管件进行拆接，以管件20为例(图29)，将利用顶端驱动装置12来移动它，从而将管件20的下端放置在位于滑架30端部的搁置滑车40上，此时滑架已经位于油井中心14附近。该滑架离开油井中心14并向着架空步道22返回，如图29所示。
[0084]上述描述只是作为图示或解释说明，在不偏离本申请范围的情况下可以对所示系统和结构以及操作方法进行细节上的改变。