用于引导管子的装置和方法.pdf

一种用于引导管子的装置，该装置包括：基座(240)、从所述基座(240)延伸的第一可延伸元件(342，344)、可枢轴转动地固定(322，328)于第一可延伸元件(344)的第二可延伸元件(302，304)，以及与第一可延伸元件(344)相连接的管子支架(400)。一种用于钻凿井筒的方法，该方法包括下列步骤：通过将从所述基座(240)延伸的第一可延伸元件(342，344)、和可枢轴转动地固定(322，328)于第一可延伸元件(344)的第二可延伸元件(302，304)发生延伸，由此使得管子支架(400)移向待连接至钻柱的管子或管子组(206)，从而将管子或管子组(206)引导进入连续循环系统(240)中；所述管子支架(400)保持住管子、将管子牵引到连续循环系统(240)上方并将管子(206)降入到连续循环系统(240)中。

1.  一种用于引导管子的装置，该装置包括基座(240)、从所述基座(240)延伸的第一可延伸元件(342，344)、可枢轴转动地固定(322，328)于第一可延伸元件(344)的第二可延伸元件(302，304)，以及与第一可延伸元件(344)相连接的管子支架(400)。

2.  如权利要求1的装置，其中第一可延伸元件(344)在枢轴(364)上与基座(240)相固定。

3.  如权利要求2的装置，其中所述枢轴(364)允许在一个平面中的运动。

4.  如权利要求1-3任何一项的装置，其中第二可延伸元件(302，304)包括禁止所述管子支架(400)的最大移动的止动器。

5.  如前面任何一项权利要求的装置，其中管子支架(400)可枢轴转动地连接(406)于第一可延伸元件。

6.  如前面任何一项权利要求的装置，其中管子支架(400)可枢轴转动地连接于第一可延伸元件(302，304)，以致该管子支架装置维持一基本水平的方位。

7.  如前面任何一项权利要求的装置，其中管子支架(400)选自于包括开口式管钳、闭合式管钳和夹持器的组合。

8.  如前面任何一项权利要求的装置，进一步包括安装架(362)，下部延伸元件(304)的第二端可枢轴转动地连接于安装架。

9.  如前面任何一项权利要求的装置，其中基座(240)是连续循环系统(240)的至少一部分。

10.  如权利要求9的装置，其中连续循环系统(240)具备与井筒中心相对准的中心，并且管子支架(400)对准于该系统中心。

11.  如权利要求9的装置，其中所述管子引导装置具备管子引导中心，管子支架(400)可以移动至该管子引导中心及从其移开，并且其中管子支架(400)可移动到这样一个位置，在此位置管子支架(400)并不处于连续循环系统(240)之上。

12.  如前面任何一项权利要求的装置，其中管子支架(400)具有用于容纳管子的开口。

13.  如权利要求12的装置，其中管子支架(400)具有至少一个活动臂(432)，其用于可释放地保持管子。

14.  如权利要求13的装置，进一步包括至少一个弹簧(454)，其与所述至少一个臂(432)相连用于将所述至少一个臂(432)推入到所述开口中。

15.  如权利要求14的装置，进一步包括调节装置(436)，其与所述至少一个臂(432)相连用于调节所述至少一个臂(432)的位置。

16.  如权利要求15的装置，其中所述调节装置(436)包括螺母和螺栓装置。

17.  如权利要求13-17任何一项的装置，其中所述至少一个臂是两个臂(432，434)，各个臂(432，434)可围绕销(496)旋转，其中各个所述臂(432，434)的一端凸入到所述开口中，而另一端可枢轴转动地连接于弹簧(452，454)，杆(497)穿过各个弹簧(452，454)并枢轴转动地彼此互联且联接于调节轴(428)。

18.  如权利要求13-17任何一项的装置，其中所述至少一个臂(432)可运动至这样一个位置，以致所述臂的任何部分都不凸入到所述开口中。

19.  如前面任何一项权利要求的装置，进一步包括另外的第一可延伸元件(342，344)和另外的第二可延伸元件(302，304)，管子支架(400)布置在所述第一可延伸元件与所述另外的第一可延伸元件之间。

20.  一种包括如前面任何一项权利要求所述装置的钻井设备，该钻井设备包括位于钻井中心上的井架和平台，所述装置被布置为第一可延伸元件位于钻井中心周围。

21.  一种连续循环设备，具有上部密封件和下部密封件，该上部密封件用于密封一管子，所述管子待组装到井筒中的管柱上或从其上拆卸，该下部密封件用于密封管柱以便在组装或拆卸期间允许钻探泥浆通过管柱的连续循环，其特征在于，该连续循环设备包括用于将管子引导进入所述上部密封件的装置。

22.  一种用于钻凿井筒的方法，该方法包括下列步骤：通过延伸从所述基座(240)延伸的第一可延伸元件(342，344)、和可枢轴转动地固定(322，328)于第一可延伸元件(344)的第二可延伸元件(302，304)，由此使得管子支架(400)移向待连接至钻柱的管子或管子组(206)，从而将管子或管子组(206)引导进入连续循环系统(240)中；所述管子支架(400)保持住管子、将管子牵引到连续循环系统(240)上方并将管子(206)降入到连续循环系统(240)中。

用于引导管子的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于引导管子的装置和方法，具体但不排他地，涉及用于引导管子以方便将管子连接到井筒中的管柱的装置和方法。该装置的一种具体但不排他的用途是，将管子从离线位置移动到钻井中心，由此将管子引导进入连续循环系统或连续循环同步钻探系统。
背景技术
在建造油井或气井的过程中，钻凿出井孔。钻头布置在钻柱的端部并发生旋转以钻出井孔。通常称之为“钻探泥浆”的钻井液通过钻柱泵送至钻头以便对钻头进行润滑。钻探泥浆还用于将钻头所产生的钻屑和其他固体通过环形通道输送到地面，该环形通道形成在钻柱与井孔和/或衬套井孔的套管之间。
按照钻凿井孔的一种现有技术方法，使用了与钻柱的顶部接头相连的方钻管来旋转钻柱。处于钻台处的转盘旋转方钻管，与此同时方钻管能够竖直地移动通过钻台处的转盘内的传动衬套。按照另外一种现有技术方法，顶部驱动钻探单元悬挂在井架夹具中并旋转钻柱，此时未使用方钻管。
重要的是，能够相应于地层中的压力来控制井孔中的压力。在某些情况下，钻探人员可能认为欠平衡钻井(under-balanced drilling)是必需的，此时对曝露于井筒的地层所施加的压力要低于该地层的内部流体压力。由此，如果存在足够的孔隙率和渗透性，则地层流体进入到井筒中。随着欠平衡状态的趋近，钻探速度通常会提高。然而，钻探人员可能认为超平衡钻井(over-balanced drilling)是必需的，此时井筒中的压力值超出地层中的流体压力。该过高压力对于防止储层流体(油、气或水)进入到井筒中是必需的。但是，由于有效加固了井筒附近的岩石并限制了对钻头下的钻屑的清除，过度的超平衡会显著放慢钻探过程。此外，与低劣钻探泥浆性能相伴随的高的超平衡压力会导致差压卡钻的问题。由于储层压力在不同地层之间变化，而钻探泥浆的密度相对一致，所以超平衡也在不同区域之间发生改变。通过使用增重剂来增加或减小钻探泥浆的密度由此改变钻探泥浆的密度，钻探人员能够将钻井条件从欠平衡改变成超平衡。
如果钻井中的压力并未得到适当控制，则钻探速度不会达到最大化。在最坏的情况下，钻井可能由于井孔中缺乏压力而坍陷。这在钻探经过特殊类型的地层时更有可能发生。
过去，钻井液的循环在单节钻管或钻管组的组装或拆卸期间被停止。使用注入阀或泥浆护罩阀，以便在组装或拆卸过程期间维持钻柱中的压力。然而，必须每次进行阀的连接和断开。因此循环是不连续的，尽管压力得以充分维持在钻井中，但是压力改变的脉冲是显著的。
通常优选将钻屑以悬浮形式保持在钻井液中，以帮助将它们从钻头上清除，并防止它们重新落回到井筒中。停止钻探泥浆的循环会导致钻屑下沉。为了克服该问题，在许多现有技术系统中尝试使用额外的流体充填，其通常增加流体的粘度。这样的结果是，在地面需要更大的泵送功率来移动更稠的流体；但这种泵送力的增加会导致井下的过压力，由此导致地层损坏或井下流体的流失。
已经发展出一种连续循环系统并公开在PCT申请WO98/16716中，该循环系统允许钻探泥浆的循环在管子相对于管柱的整个组装及拆卸期间得到执行。WO98/16716尤其披露了：使用一组上部封井器(pipe ram)来应用和密封待连接至管柱的管子，使用一组下部封井器来应用和密封钻井中处于管柱顶部的管子以在其之间产生腔室，以及使用全封闭式封井器来密封待连接管子的尾销与管柱顶部管子的管套之间的腔室，从而形成上部和下部腔室。在位于全封闭式封井器组与第二组封井器之间的下部腔室中，布置有钻探泥浆入口。此外，钻探泥浆供应器与待连接管子的顶端相连由此形成连接，下部封井器获得启动并密封井筒中管柱的顶端，而全封闭式封井器获得启动以在钻柱顶部周围形成下部腔室。钻探泥浆被允许流入到下部腔室中并循环进入钻柱的顶部。钻探泥浆穿过钻柱流到钻头，然后返回经过由钻柱和井孔所形成的环形通道。钻探泥浆由泥浆振动筛、离心机等进行处理以清除掉切屑，如果需要添加附加剂，然后钻探泥浆循环到下部腔室中。与此同时，管子或管子组被降低到连续循环系统的顶部。上部封井器获得启动以对管子进行密封。管子或管子组的上端与钻探泥浆的供应器相连，而钻探泥浆由于阀的作用流入到上部腔室中。此时上部和下部腔室中钻探泥浆的压力基本相等。全封闭式封井器被打开，管子或管子组的阳螺纹端插入到管柱顶端的管套中并发生旋转和扭转由此形成连接。可以对腔室中的钻探泥浆进行排放并将上部和下部封井器打开，由此允许具有附加管子或管子组的管柱降低到钻井中。这样，在形成和断开连接的同时，循环得以连续通过管柱和环形通道。
已经对上述连续循环系统作出各种改进，包括在钻探的同时执行连续循环。这样允许在将管子与管柱相连或从其拆卸的同时继续进行连续钻探。这对使用钻管或套管进行钻探的情况是有益的。
升降器在这些操作中用于选择性支撑管子并帮助将管状元件从一个位置移动到另外一个位置。
US6,412,554A中提出了几种现有技术的连续循环系统，它们尝试在钻探操作期间执行连续的流体循环，但在这些系统中，钻柱的旋转被停止，然后重新启动，以便形成和断开管状元件的连接。这样造成了钻探时间的显著损失。此外，钻柱的启动旋转会导致对钻柱超转矩部分的损坏。
2003年12月4日公布的美国已公开专利申请No.2003-0221519(USSN 382080，提交日：2003年3月5日)披露了一种装置，其允许管状元件的部分在钻探操作期间与管柱相连或从其断开。该装置还允许钻管的部分在连接或断开过程期间发生旋转及轴向移动。该装置进一步允许流体在组装或拆卸过程期间连续循环至管柱并经过管柱。上述装置描述了一种包括顶部驱动机构、旋转驱动机构和流体循环装置的钻机组件。管柱的旋转及轴向移动由顶部驱动装置和旋转驱动装置交替地提供。此外，一旦在与顶部驱动机构相连的上部管状元件与管柱之间形成连接，流入管柱的连续流体被提供经过循环装置，然后交替经过管状元件的部分。该申请还披露了一种在连续钻探的同时将上部管状元件连接至管柱顶部管子的方法，该方法包括下列步骤：操作旋转装置以提供井筒中管柱的旋转及轴向移动；将上部管状元件定位在管柱的顶部管状元件上方，该上部管状元件被构造为具有底部螺纹端与顶部管子的顶部螺纹端相连；改变上部管状元件与顶部管子之间的相对速度以将上部管状元件的底部螺纹端与顶部管子的顶部螺纹端螺纹相配合，这样上部管状元件成为管柱的一部分；释放管柱与旋转装置的接合；以及操作顶部驱动装置，由此提供井筒中管柱的旋转及轴向移动。
在使用顶部驱动装置进行钻探的一些现有技术系统中，钻管组(譬如，包括三个互连钻管段、90英尺的组)与保护接头螺纹相连并处于接头之下。保护接头与顶部驱动钻探单元的一部分相连，一旦钻探向下进行到管组长度的程度，保护接头进入到连续流体循环系统的腔室并定位于其中。为了通过这种现有技术系统来增加新的管组，在流体循环系统内部断开连接，顶部驱动钻探单元获得提升，与此同时保护接头被提升并从连续循环系统的顶部退出。然后，为了连接新的钻管组，顶部驱动钻探单元的一部分(譬如，升降器)按照某些现有技术方式从井筒移走。升降器通常与顶部驱动钻探单元相关联，但这种升降器往往不能用于接纳和支撑新的管组，原因是保护接头干扰了此操作。
在许多情况下，随着顶部驱动钻探单元的提升，期望倒扩孔(backream)来循环流体，并将管柱随着顶部驱动钻探单元的提升而转出井孔，由此譬如使得井孔变光滑并防止形成键槽。
上述钻探系统的另外一个问题在于，期望将各个新的钻管组向下钻得尽可能地深；但悬挂在顶部驱动钻探单元下面的零件和装置(譬如，升降器)防止了顶部驱动钻探单元的进一步向下行进，除非它们移动偏离于井筒的中心线，以致在顶部驱动钻探单元的保护接头进入连续循环系统(并且顶部驱动接近于连续循环系统)时顶部驱动钻探单元能够继续旋转钻柱。通常，升降器等沿着一个方向移动偏离于井筒的中心线(现有技术中使用了仅仅开口于一侧的升降器)。
发明内容
按照本发明，提供了一种用于引导管子的装置，该装置包括基座、从所述基座延伸的第一可延伸元件、可枢轴转动地固定于所述第一可延伸元件的第二可延伸元件，以及与所述第一可延伸元件相连接的管子支架。
这种用于引导管子的装置还适于引导可结合在管柱中的工具。管柱可以包括钻管、套管、衬套或其他形式的管状元件。
所述可延伸元件优选是活塞和液压缸，并且通过液压流体源而被液压地操作。作为选择，该可延伸元件是气动的，更优选是电动的滑板。所述第一可延伸元件优选在枢轴上与所述基座相固定。有利的是，该枢轴允许在一个平面中运动。有利的是，所述第二可延伸元件包括禁止所述管子支架的最大移动的止动器。该止动器优选处于这样一个位置上：当碰撞到止动器时，管子支架处于钻井中心的上方，以致管子支架中的管子或管子组与钻井中心基本成一条直线。有利的是，所述管子支架可枢轴转动地连接于第一可延伸元件。该管子支架优选可枢轴转动地连接于第一可延伸元件，以致在第一和第二可延伸元件的延伸或收缩期间管子支架装置维持为基本水平的方位。有利的是，管子支架是自由浮动的。
所述管子支架优选选自于包括开口式管钳、闭合式管钳和夹持器的组合。有利的是，上述装置还包括安装架，下部延伸元件的第二端可枢轴转动地连接于安装架。该安装架优选与基座相连接。
所述基座优选至少是连续循环系统的一部分。优选是连续循环系统的顶面。有利的是，所述连续循环系统具备与井筒的钻井中心相对准的中心，并且管子支架对准于该系统中心。上述装置优选具备管子引导中心，管子支架可移动至该管子引导中心及从其移开，并且其中管子支架可移动到这样一个位置，在此位置管子支架并不处于连续循环系统之上。
所述管子支架优选具有用于容纳管子的开口。有利的是，管子支架具有至少一个活动臂，其用于可释放地保持管子。有利的是，上述装置进一步包括至少一个弹簧，其与所述至少一个臂相连用于将该至少一个臂推入到所述开口中，优选地，彼此相对以便可释放地握持管子或管子组。有利的是，上述装置进一步包括调节装置，其与所述至少一个臂相连用于调节该至少一个臂的位置。所述调节装置优选包括螺母和螺栓装置。有利的是，所述至少一个臂是两个臂，各个臂可关于销旋转，其中各个臂的一端凸入到所述开口中，而另外一端可枢轴转动地连接于弹簧，杆穿过各个弹簧，并与弹簧枢轴互联且联接于可调节轴。各个弹簧对于其相应的臂起着减震器的作用。所述至少一个臂优选可移动至这样一个位置，以致所述臂的任何部分都不凸入到所述开口中。
有利的是，上述装置进一步包括两个第一可延伸元件和两个第二可延伸元件，所述管子支架布置在两个第一可延伸元件之间并优选与其枢轴转动地连接。
本发明还提出了一种包括本发明装置的钻井设备，该钻井设备包括位于钻井中心上方的井架和平台，所述装置被布置为第一可延伸元件位于钻井中心周围。
本发明还提出一种具有上部密封件和下部密封件的连续循环设备，所述上部密封件用于密封待组装至井筒中的管柱上或从其拆卸的管子，所述下部密封件用于密封管柱以便在组装或拆卸期间允许钻探泥浆连续循环经过钻柱，其特征在于，该连续循环设备包括用于将管子引导进入上部密封件的装置。
本发明还提出一种用于钻凿井筒的方法，该方法包括下列步骤：通过将从基座延伸的第一可延伸元件、和可枢轴转动地固定于第一可延伸元件的第二可延伸元件发生延伸，由此使得管子支架移向待连接至钻柱的管子或管子组，从而将管子或管子组引导进入连续循环系统中；所述管子支架抓住管子、将管子牵引到连续循环系统上方并将管子降入到连续循环系统中。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在参看作为示例的附图，其中：
图1A显示了现有技术的钻井设备的一部分的正视图，其结合有顶部驱动；
图1B显示了沿着图1A中线1B-1B所得的侧视图，并显示了顶部驱动摆向小鼠洞上方的位置以便拾取管子组；
图1C显示了图1A中所示钻井设备的一部分的片断正视图，并显示了顶部驱动摆向其缩回位置，由此允许提升和降低顶部驱动以便将管子组下入到钻井中或是将管柱拉出钻井；
图2是钻井设备的一部分的透视图，该钻井设备包括顶部驱动和连续循环装置；
图3A是图2中所示钻井设备的一部分的侧视图，并显示了顶部驱动的一部分、从顶部驱动的转子向下延伸的保护接头、钩环、从钩环下垂的连接工具以及悬挂在活动臂上的升降器，所述臂处于水平位置，这样升降器与顶部驱动的转子和钻管组顶部不成一条直线；
图3B是图3A中所示连接工具、升降器和钻管组的顶视图；
图4是图3A中所示钻井设备的一部分的正视图，其中钻管组接合在升降器中、而活动臂移动至升降器与保护接头成一条直线的竖直位置；
图5是图3A中所示钻井设备的一部分的正视图，其中钻管组被组装至保护接头；
图6A、6B和6C是结合有按照本发明的装置、处于三个操作阶段的连续循环系统的侧视图；
图7是钻井设备的一部分的侧视图，该钻井设备将图3中所示的顶部驱动和连接工具与图6A中所示的连续循环工具结合在一起；
图8A是用于引导管子的装置的透视图；
图8B是图8A中所示用于引导管子的装置的分解图；
图8C是按照本发明第二实施例、用于引导管子的装置的透视图；
图9A是图8A中所示装置的管子支架的透视图；
图9B是图9A中所示管子支架的局部剖开透视图；
图9C是图9A中所示管子支架的顶视图；
图9D是图9A中管子支架的部分的透视图；以及
图9E是图9D中所示部分的分解图。
具体实施方式
图1A至1C显示了US4,458,768(其在此结合以便参考)所披露的现有技术钻井设备和顶部驱动系统10。
图1A至1C中所示的现有技术钻井设备10包括布置在井筒12之上的井架11，井筒12由布置在钻柱13末端的钻头(未显示)钻出，钻柱13通过常规手段形成为以端对端方式通过螺纹连接件14连接在一起的一系列钻管组。钻柱13通过与其上端相连的顶部驱动钻探电机16关于它的纵轴线15而旋转。钻柱和顶部驱动钻探电机16由升降装置17所支撑并适于上下发生移动，所述升降装置17包括定滑轮18、动滑轮19、从定滑轮18支承动滑轮19的缆绳20，以及用于卷进或卷出缆绳20以便提升或降低动滑轮的动力传动绞车。吊钩21从动滑轮19下垂，吊钩21的下面悬挂有顶部驱动钻探电机16，并具有适于打开以便连接和断开顶部驱动钻探电机16的闸门121。顶部驱动钻探电机16和挂钩21在其上下移动期间被两个平行的细长导轨22和23所引导，这些导轨对托架24和托架25进行接合和引导，托架24上布置有顶部驱动钻探电机16而托架25上布置有动滑轮。
两个导轨22和23优选是从各个导轨的上末端延续到其下末端的H型部件。导轨22和23具有上部区域，该上部区域从井架11的上端延伸到中间井架位置，并与井架11刚性相连以便保持为纵向笔直延伸和彼此平行且平行于钻井轴线15的状态。在中间井架位置之下，两个导轨22和23具有彼此平行延伸的第二部分或区域，其持续向下到达位置27，并由两个枢轴连接装置所固定以便相对于上部区域且关于水平轴线发生摆动。使用倾斜的小鼠洞30(图1B)。
导轨22和23具有最下面的第三区域，该第三区域由第二区域所携带以便在竖直位置与倾斜位置之间随其摆动，同时被连接装置31和32所固定以便关于两个轴线33和34发生水平摆动，轴线33和34彼此平行且平行于第二区域的纵轴线。
两个枢轴连接装置31和32包括与第二区域刚性相连的两个平行固定管子或管路37和38。导轨的两个第二区域适于通过活塞和液压缸机构45在竖直位置与倾斜位置之间被动力驱动，该活塞和液压缸机构的液压缸与井架的水平延伸固定部分相连，而它的活塞杆反作用于枢轴连接装置31的管路37。
与动滑轮19相连的托架25包括两个框架56和57，所述框架分别部分地关于导轨22、23延伸并可旋转地支撑辊58，所述辊58以下列方式容纳在并接合在不同导轨区域的前后凸缘59之间：将托架25有效定位为防止相对于导轨结构的纵轴线作横向移动，并引导托架仅仅相对于导轨纵向地移动。
顶部驱动钻探电机16被布置在托架结构24上，动力单元61用于旋转钻柱，而常规的旋转接头62用于将钻井液输送给钻柱。
钻探组件的动力单元61包括具有下部锥形外螺纹的管子部分，该外螺纹构成销并可与钻柱13的上端进行螺纹连接以对其进行驱动。在许多情况下，常规的转换接头72和较短的“短管”73在动力单元62之下直接连接到钻柱中。管子部分70在它的上端具有锥形内螺纹，该内螺纹可与旋转接头62的旋转杆75相连。杆75与钻柱一起相对于旋转接头62的主体76转动，该主体76由与动滑轮19的钩21相咬合的挂钩77不可旋转地进行支承。钻井液通过柔性入口管78输送到旋转接头，该入口管78的第二端在大大高于钻台的上升位置79处与井架相连。为了驱动管状轴70，动力单元61包括有电动机。
图2显示了顶部驱动钻探装置100，其包括悬挂在井架112(与图1A中的钻机和井架相类似，具有如图1A中所示的多个部件等)中的顶部驱动钻探单元120。连续循环系统(CCS)130布置在钻台114上。
CCS130可以是任何已知的连续循环系统，在一个方面，它是可从Varco国际公司购买到的CCS系统。作为选择，该CCS可以是图6A至图7中所示的类型。
升降器140悬挂在顶部驱动钻探单元120下面。可选择地，连接工具装置200悬挂在顶部驱动120之下。连接工具装置200包括管夹持器150，而升降器140从管夹持器150下垂。对于管夹持器150而言，可以使用任何适当的已知管夹持器，或者作为选择，可以使用如同时待决PCT申请No.所公开的管夹持器，该申请同属于本案的申请人且基于2004年11月30提交的、标题为“管夹持器和顶部驱动系统(Pipe Gripper And Top Drive Systems)”的美国专利申请USNo.10/999,815。管夹持器150从顶部驱动钻探单元120下垂并具有通常称之为挂钩118的连接装置，而升降器40从管夹持器150下垂并具有活动臂124。
上述管夹持装置可以仅仅夹住管子并禁止管子发生旋转，或者可以是主动的管夹持装置，具有用于夹住管子并作为旋转器旋转管子的驱动机构，和/或具有完善管子部分之间的螺纹连接的扭转以使连接理想化的高转矩能力。可以提供本领域所公知的扭转转数监测装置，譬如Franks系统，来确保连接得到适当的完成以及不会发生对螺纹的束缚。
升降器140可以是同属于本案申请人的共同待决PCT申请No.中所公开的类型，该PCT申请基于标题为“用于井筒操作的方法和装置(Method and apparatus for wellbore operations)”的美国专利申请、2004年11月30日提交的已转让美国临时申请No.60/631,954以及2005年7月7日提交的美国申请No.11/176,976。
升降器140优选是具有两个对置入口的类型，这两个入口具有相互作用的两个连接装置以便升降器的任何一侧都可以打开。由此，升降器能够在一侧打开以允许升降器单元移离开井筒的中心线，这样顶部驱动钻探单元能够在增加新的钻管或钻管组之前将钻柱向下钻得尽可能地深；然后升降器的另外一侧可以打开以便容纳新的钻管或钻管组(在按照本发明的倒扩孔操作中，逆向过程也是如此)。在某些情况下，这类升降器具有两个对置的、可选择性进行释放的锁合机构以及两个对置的处理凸出物。
图3A和3B显示了图2中所示钻井设备的一部分，并显示了处于顶部驱动120之下的连接工具装置200。保护接头260从顶部驱动120的电机(未显示)向下地延伸。连接工具装置200包括夹持器单元150，该夹持器单元从悬挂于耳状体139的挂钩118下垂。升降器140从悬挂于管夹持器150的活动臂24下垂。活动臂24显示处于水平位置上，这样升降器140不与顶部驱动转子成一条直线。钻管组206的顶部也显示为不与顶部驱动120的转子成一条直线。各个活动臂24具有下侧部分25，该下侧部分穿过升降器140的相应孔眼45，并具有活塞和液压缸装置141以便围绕销142移动活动臂。夹持器单元150从挂钩118下垂，挂钩118配备有活塞和液压缸(未显示)以便围绕耳状体139移动，从而将夹持器单元150摆动至不与顶部驱动120的转子(未显示)对准。
如图5中所示，保护接头260与钻柱108的顶部钻管206螺纹相连接。保护接头260被设置为由管夹持器150夹住和进行旋转。
连接工具装置200具有对夹持器装置150进行支承的支承装置202。升降器140的前端233具有对置的升降器入口231、232，该入口处于打开位置以便容纳、包围和支承钻管或钻管组206。在一个实施例中，为了启动步骤次序，钻探人员控制台(参看图2，控制台DC)上的钻探人员按下选定的按钮，程序开始执行。
如图3中所示，钻管206已经被(井架工手动或机械)移动到升降器140中，并且升降器140已经被围绕钻管206关闭(譬如，井架工使用液动系统来关闭升降器)。
图4显示了钻管206被提升为离开钻台的状态并到达连续循环系统240(参看图6A)上方的位置，该连续循环系统可以是在此所提及的任何连续循环系统。如图4中所示，与图3相比，升降器140已经被移动到夹持器装置150的下面，而钻管206与保护接头260的纵轴线基本成一条直线。这种对准通过活塞和液压缸装置141的端部143与销142的过中心连接而得以促进。活塞和液压缸装置141将升降器140推向图4中所示的位置。活塞和液压缸装置141的其他端部144与夹持器装置150相连。升降器140由于其自重和钻管的重量而降低到图4中所示的位置。活动臂24与防止其移动经过图4中所示位置的止动器相衔接，而端部143的过中心连接帮助将升降器140和钻管206保持处于图4中所示的位置。
随着钻探人员将钻管206如图4中所示提升到升降器140中，如图7A中所示利用活塞和液压缸装置将管子引导装置242的管夹持器244向上提供至钻管206，从而将管夹持器244移动更靠近钻管206。可选择地，钻工帮助将钻管206移动到管夹持器244中。如图6A中所示，管子引导装置242被安装在连续循环系统(CCS)240的顶部。CCS240在钻台上被设置在与图2中所示CCS30相同的位置。
如图6C中所示，下部的封井器组269处于对井筒中管柱209的顶部进行密封的闭合状态。全封闭式封井器组268在管柱的顶部之上进行密封从而形成下部腔室(未显示)。该腔室(未显示)配备有对来自泥浆振动筛、离心机等的清洁钻探泥浆进行供应的钻探泥浆管线(未显示)，所述钻探泥浆获之于从环形通道所返回的、混有固体的钻探泥浆，所述环形通道形成在井筒与通过井筒的管子之间。因此钻探泥浆循环通过下部腔室而进入钻管的管柱的顶部。
图6B显示了钻探人员降低顶部驱动由此降低升降器140和钻管206，从而在利用管子引导装置242将钻管206与CCS240正确对准之后，将钻管206插入到CCS240中。CCS240的缓冲器246选择性地抓取钻管。如图6C中所示，可选择地，缓冲器246中的卡爪(未显示)接近钻管206并抓住它，这时钻管的底端206a仍未与钻柱209相连而其上端保持处于系统240中。上部封井器组270对钻管206进行闭合和密封。钻管206的底端206a停靠在闭合的全封闭式封井器组的顶部(如水平虚线241所示)，或是略微保持在系统240的中部压力室之上。
图4和图5显示了将保护接头260的下端与钻管206的上端206b相连的步骤。如图4中所示，保护接头260被设置为下降至钻管206。顶部驱动120和连接工具装置200被下降以便将保护接头260的下端260a插入钻管206的顶端206b。在图5所示的位置，夹持器装置150的卡爪并未抓取该花键部分260c。
在缓冲器246保持钻管206的同时，顶部驱动120旋转保护接头260，从而通过对保护接头260与钻管206之间的连接进行旋转和扭转而形成组装。
接着，返回的钻探泥浆被转换为流经旋转接头(未显示，但类似于图1C中的旋转接头62)，经过保护接头260进入钻管206，然后进入上部封井器270与全封闭式封井器268之间的上部腔室(未显示)。
全封闭式封井器268被打开，由此上部和下部腔室中的泥浆压力相等。钻管206被降低到顶部驱动120上，而顶部驱动120旋转钻管206以便对其连接进行旋转和扭转。作为选择，在CCS240处于上部封井器270上方的顶部提供有管钳，或是利用夹持器单元150来旋转和/或扭转连接。可以从上部和下部腔室抽出剩余的钻探泥浆，而上部和下部封井器270、269被打开并重新开始钻探过程。如果钻管206包括三个杆的组合，在通过首先启动下部封井器269来密封钻井中钻柱的顶端从而重复上述过程之前，钻探可以持续进行10m左右。
升降器入口231和232被打开，通过致动活塞和液压缸装置141升降器140在活动臂24上摆动而不与钻管206相咬合，由此偏离于井筒的中心线。升降器入口231和232可以远程开启，或是钻工手动地打开升降器入口231和232。然后，升降器入口231和232可以围绕穿过井架顶部滑轮并到达一绞盘(未显示)上的拖拉器缆绳250关闭。通过绞动拖拉器缆绳250，从挂钩118下垂的连接装置200摆动偏离于井筒的中心线，由此升降器140将其自身放置在连接于拖拉器缆绳250端部的支座254上，并拉动连接工具装置200使其如图7中所示与井筒中心线不成一条直线，从而允许钻管降入到CCS240中以将钻柱的顶部定位在下部封井器之上但处于全封闭式封井器之下。此时通过启动顶部驱动而将保护接头260与钻柱断开。
在组装和断开期间，优选通过在钻台上使用能够防止钻柱转动的卡盘，来禁止钻柱的转动。
CCS240在连接组装(即，保护接头与钻管的连接)期间维持井筒中的流体循环。主体239与连接装置214相连的弯曲或倾斜部分239a促进主体239与CCS240之间的接触、以及主体239在发生接触情况下经过CCS240的移动。拖拉器缆绳250的下端与固定器252相连，该固定器具有位于升降器140之下的下部254并具有直径大于升降器140的部位，由此拖拉器缆绳250得以相对于升降器230进行固定和保持在适当位置。可选择地，动力系统104b将连接工具装置200移开，而不用使用拖拉器缆绳。
对于将钻管拉出井孔的情况，为了将升降器140扣合在钻管206上(钻管组的顶部钻管)，升降器140的后侧被打开，升降器逆着装置208的力而降低，然后升降器移动到钻管206上(譬如通过钻工和/或通过打开装置208)。
夹持器装置150的卡爪211、212已经闭合，并在系统240的缓冲器246保持钻管206期间并未夹住保护接头260的花键部分260e。接着，卡爪211、212进行移动以断开保护接头260与钻管206之间的连接。夹持器装置150被降低，以致其卡爪211、212夹住钻管206然后断开保护接头/钻管的连接。液压缸装置248将夹持器装置150向下移动。一旦连接被断开，顶部驱动120旋转保护接头260，从而将保护接头260与钻管206完全断开。钻管206从缓冲器246被释放，顶部驱动20a和连接工具系统200从钻管206上升离开，而钻管206仍然处于升降器140中且其底端206a处于如图6c中所示位置。接着，钻探人员通过顶部驱动系统拾取钻管组，将管子引导装置242部署在CCS240的中心上方，通过管子引导装置242的支架244抓住钻管，然后利用管子引导装置242将钻管组移离于CCS240。接着，钻管组被降低，这样它的底端停靠在钻台114上。升降器230的前端由钻工打开，该钻工将钻管206拉出升降器230以便退回到井架的指梁中。
图8A和8B显示了按照本发明的管子引导装置242，其适于布置在CCS140的顶面上。管子引导装置242具有两个分隔的下部动力缸302、304，该动力缸具有分别可相对于动力缸302、304发生移动的轴306、308。与轴306、308相连的安装架312、314通过具有轴承322、324的螺钉316、318可枢轴转动地连接于基块326、328。螺钉332将基块326、328固定于托架310。
上部滑动机构342、344具有处于管路356、358中的轴346、348，所述轴可沿着大致非水平的方向移动。轴346、348的下端通过螺钉366与外壳354相连。托架310通过螺栓332固定于块326、328。外壳354可以通过固定支架362而安装至其他的装置(譬如，CCS单元或强壮的钻工)，外壳354的轴364通过该固定支架362进行延伸以使外壳354相对于固定支架362作枢轴转动。轴承374有助于轴364在固定支架362中进行移动。机械的止动器368通过螺钉366与外壳354相固定，该止动器368用于防止基座310和连接于基座310的结构移动到水平以下。螺钉376将固定支架362固定于其他的装置或结构(譬如，CCS单元的顶面或强壮的钻工)。剪切销378承担侧向的荷载，并防止侧向荷载加在将支架362拧紧于其他装置的螺栓376上。如果施加了足以切断剪切销378的侧向力，剪切销378发生切变。在力度数值小于安装有管子引导装置242的设备或机构的镦锻力的情况下，剪切销378是可切变的。
为了在某些预定位置停止管子引导装置242的移动(譬如在钻井中心以便将管子插入CCS、或是在管子被传递到管子处理装置的与钻井中心相间隔的位置)，液压缸302上的近控开关500被设置为能够对管路334上的预装目标元件501、502进行感测。与液压缸302相连的杆503在固定于安装架312的管路334中可伸缩地移动。在如图8A和8B所示的实施例中，目标元件501被设置在夹持器组件400(其中带有管子)处于钻井中心的位置。目标元件502被设置在夹持器组件400处于管子拾取/卸下区域的位置。螺母336可以用作显示夹持器组件400处于贮藏(平展)状态的标志。近控开关500由管子引导装置的控制系统CS所控制并进行通信，该控制系统可控制液压缸。
图8C显示了如图8A中所示、可以用来支承如图8C中示意性所示零件505的固定/支承结构，该零件可以是用于容纳管状元件的任何托架、用于容纳管状元件的接收器、(中央开口的、虚线所示的开口式、或封闭式)管钳、夹持器或抓取器。
参看图9a至9E，在一个示例中，支架244是通过头部402、404可枢轴转动地固定于管路356、358上端的夹持器组件400。优选地，支架244或夹持器组件400是平衡的，这样它保持处于基本水平的方位。头部402、404通过螺钉384与管路356、358相固定，所述螺钉延伸穿过管路356、358的凸缘382进入到头部402、404中。螺栓406延伸穿过轴承408、410并穿过头部402、404到达夹持器组件400。
夹持器组件400具有包括内部421和可移动顶盖板422的外壳420，所述顶盖板通过螺栓424与外壳420相固定。两个夹持臂432、434各自通过延伸经过孔438的销426与杆428枢轴转动地相连。杆428通过螺母436固定于外壳420。对杆428进行移动可调节弹簧494上的张力，并允许将臂432、434的端部432a、434a调节至外壳420内部或如图8A中所示从其凸出。在弹簧494的强度范围内，臂432、434能够将管子保持在外壳420中。
各个臂432、434分别通过销456、458与相应的连接装置452、454相连，所述销456、458部分地布置和锁位在(臂434的)元件466、468的相应凹槽462、464中和(臂432的)元件472、474的凹槽486、488中，并且部分地位于盖罩478的凹槽476中(凹槽488在图9E中未显示；处于于凹槽468相对应的位置)。盖罩478通过螺钉482固定就位，该螺钉482穿过盖罩478并拧紧在元件466、468、472、474的相应孔484中。销456、458在轴承492上发生移动。弹簧494是压缩弹簧，其弹力可以通过人工移走臂432、434之间的管子而得以克服。
臂432、434能够关于销456、458而枢轴转动，并可以关于将臂钉在外壳上的销496相对外壳420作枢轴转动。
弹簧494和连接装置492(弹簧494与其相连)都可以在提供减震功能的轴497上进行移动。