钻杆上卸扣组合装置及钻杆卸扣方法、钻杆上扣方法与流程

本发明涉及海洋工程领域，特别涉及一种海洋钻井平台的钻杆上卸扣组合装置及钻杆卸扣方法、钻杆上扣方法。

背景技术：

随着陆地油气资源开采力度的日渐加大和油气储量的不断减少，海洋钻井平台作为海上油气勘探开发的重要设备之一。对于世界上最先进超深水半潜平台，全船设备和系统众多，技术设计要求高，钻井作业复杂。

在石油钻井工作时，需要一根一根的将钻杆钻入到井口。钻杆之间通过内外螺纹拧紧后实现连接的。在进行钻杆的上扣和卸扣作业中，通常需要在钻井平台上布置两套液压猫头系统。两套液压猫头系统以转盘为中心相对布置或者相邻布置。其中，两个液压猫头分别通过钢丝绳连接两个大钳。两个大钳分别卡于欲拆卸或安装的上、下两根钻杆上。一个液压猫头固定钻杆，另外一个液压猫头作为动力源进行上扣或者卸扣工作，用以完成钻杆、钻铤或者套管的上卸扣工作。

上述钻井钻杆的连接方法，需要布置两套液压猫头，增加了建造成本。而且还因为增加了一套液压系统，一套仪表系统，增加了操作难度，占用了宝贵的钻台空间。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够节约设备成本，并且通过方便操作即可完成钻杆的安装或拆卸工作的钻杆上卸扣组合装置及钻杆卸扣方法、钻杆上扣方法。

一种钻杆上卸扣组合装置，用于对上、下钻杆进行上扣和卸扣，包括：

耳板，固定设置，位于钻杆的一侧，所述耳板上设有供绳索固定的开孔；

一个液压猫头，固定设于所述钻杆的一侧，且所述液压猫头与所述耳板分居所述钻杆的两侧，所述液压猫头包括能够伸出，且可伸缩的钢丝绳；

大钳，所述大钳包括上钳与下钳，所述下钳固定设于所述下钻杆的接头处，所述下钳通过绳索与所述耳板连接；所述上钳固定设于所述上钻杆的接头处，所述上钳通过所述钢丝绳与所述液压猫头连接，所述液压猫头拉动所述钢丝绳，带动与所述上钳转动，使所述上钻杆的接头与下钻杆的接头上、卸扣。

在其中一实施方式中，所述耳板为多个。

在其中一实施方式中，所述耳板为楔形，所述耳板的各边角为圆角。

在其中一实施方式中，所述下钳位于所述上钳的下方，所述耳板与所述下钳位于同一水平面上，所述液压猫头与所述上钳位于同一水平面上。

在其中一实施方式中，所述液压猫头包括支架、液压缸、动滑轮、定滑轮，所述支架上设有滑轨，所述液压缸驱动所述动滑轮沿所述滑轨往复运动，所述定滑轮通过转动销与所述支架可转动连接，所述钢丝绳的自由端穿过所述动滑轮与所述定滑轮与所述上钳连接。

在其中一实施方式中，所述定滑轮相对于所述支架的转动角度范围为-40°~40°。

在其中一实施方式中，所述液压猫头还包括穿设于所述钢丝绳上的回位弹簧及弹簧夹，所述回位弹簧的一端固定在所述支架上，另一端通过所述弹簧夹与所述钢丝绳固定连接；拉出所述钢丝绳时所述回位弹簧发生弹性形变，所述回位弹簧恢复弹性形变时收回所述钢丝绳。

在其中一实施方式中，还包括固定设于转盘上的动力卡瓦，所述动力卡瓦用于固定钻杆。

一种钻杆上卸扣组合装置，用于对钻杆进行上扣和卸扣，其特征在于，包括：

支撑架，固定设于钻台上，且位于钻杆的一侧，所述支撑架包括两个支腿；

耳板，固定设置于所述支撑架的支腿上，所述耳板上设有供绳索固定的开孔；

一个液压猫头，固定设于所述钻杆的一侧，且与所述支撑架分居所述钻杆的两侧，所述液压猫头包括能够伸出，且可伸缩的钢丝绳；

大钳，包括上钳与下钳，所述下钳固定设于所述下钻杆的接头处，所述下钳通过所述绳索与所述耳板连接；所述上钳固定设于所述上钻杆的接头处，所述上钳通过所述钢丝绳与所述液压猫头连接，所述液压猫头拉动所述钢丝绳，带动与所述上钳转动，使所述上钻杆的接头与下钻杆的接头上、卸扣。

一种钻杆卸扣方法，用于对上、下钻杆进行卸扣，包括步骤：

耳板通过绳索与固定设于下钻杆的下钳固定连接；

液压猫头通过绳索与固定设于上钻杆的上钳连接；

液压猫头运动，上钳动作，液压猫头伸出的钢丝绳与固定在上钻杆的上钳的中心线的角度范围是-90°到-180°，完成上钻杆和下钻杆的卸扣工作。

一种钻杆上扣方法，用于对上、下钻杆进行上扣，包括步骤：

耳板通过绳索与固定设于下钻杆的下钳固定连接；

液压猫头通过绳索与固定设于上钻杆的上钳连接；

液压猫头运动，上钳动作，液压猫头伸出的钢丝绳与固定在上钻杆的上钳中心线的角度范围是90°到180°，完成上钻杆和下钻杆的上扣工作。

通过上述钻杆上卸扣组合装置及钻杆卸扣、上扣方法，可以通过耳板与一个大钳配合，以使位于下方的钻杆的固定。再通过液压猫头与另一个大钳配合，以使位于上方的钻杆固定。当上下两个钻杆相互对准之后，液压猫头通过液压油缸拉紧钢丝绳，在拉力的作用下使钻杆旋转，对钻杆进行上扣或卸扣。通过上述钻杆上卸扣组合装置，即可实现钻杆的安装与拆卸。并且，只需要一套液压猫头作为动力源进行上扣或者卸扣工作，降低了设备成本，并且只需要控制一套液压系统，操作方便。

并且，耳板只需要固定在钻台上的固定支撑物上即可，相对于一个液压猫头系统的占用空间，大大减小，节约宝贵的钻台空间。

附图说明

图1为本实施方式的钻杆上卸扣组合装置的结构示意图；

图2为根据图1所示的钻杆上卸扣组合装置的液压猫头的结构示意图；

图3为根据图2所示的液压猫头的俯视图；

图4为本实施方式的钻杆卸扣方法的流程图；

图5为图4所示的钻杆卸扣方法对应的钻杆上卸扣组合装置的工作状态图；

图6为本实施方式的钻杆上扣方法的流程图；

图7为图6所示的钻杆上扣方法对应的钻杆上卸扣组合装置的工作状态图。

附图标记说明如下：10、钻杆上卸扣组合装置；11、耳板；12、大钳；121、上钳；122、下钳；13、液压猫头；131、支架；132、液压油缸；133、动滑轮；134、定滑轮；135、钢丝绳；137、转动销；138、回位弹簧；139、弹簧夹；14、支撑架；15、绳索；17、动力卡瓦；19、顶驱结构；20、钻杆。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

请参阅图1，本发明提供一种钻杆上卸扣组合装置10用于对钻杆20进行上扣和卸扣。钻杆20包括上钻杆及下钻杆。上钻杆设有公头接头，下钻杆设有母头接头。上钻杆与下钻杆通过公头接头与母头接头的螺纹连接实现连接。在上钻杆与下钻杆对接连接或拆卸的过程中，需要固定下部的母头接头，旋转公头接头，使公头接头正转或反转，实现上钻杆与下钻杆的安装与拆卸。

请参阅图1，本实施方式的钻杆上卸扣组合装置10包括耳板11、大钳12及一个液压猫头13。

耳板11固定设置。耳板11位于钻杆20的一侧。耳板11上设有供绳索15固定的开孔。

具体在本实施方式中，耳板11为楔形，耳板11的各边角为圆角。楔形的耳板11的各边角经过打磨处理至无锐边，并做圆角，以减小应力集中。整个耳板11可以承受至少200kn的拉力，中间开孔大小以40mm为宜。

具体在本实施方式中，钻杆上卸扣组合装置10还包括支撑架14。支撑架14固定设于钻台上，且位于钻杆20的一侧。支撑架14为a字形。支撑架14包括两个支腿。具体地，支撑架14是一个巨型钢结构，为钻台平台的死绳补偿系统的液压缸提供支撑。支撑架14的材质与耳板11的材质相同，均为nve36合金。

可以理解，支撑架14可以省略，耳板11可以固定设置于其他外界支撑结构上。或者，支撑架14还可以为其他支撑结构，只要是能够固定承载耳板11即可。

并且，耳板11为多个。具体地，由于支撑架14设有两个支腿141。则耳板11为两个。两个耳板11分别固定设置于支撑架14的两个支腿141上。两个耳板11可以替换使用，互为备用，防止其中一个损坏，影响钻杆20上卸扣的工作进程。可以理解，耳板11也可以为一个，一个耳板11固定在支撑架14的一个支腿141上。

请参阅图2，液压猫头13固定设于钻杆20的一侧，且与支撑架14分居钻杆20的两侧。液压猫头13包括支架131、液压油缸132、动滑轮133、定滑轮134与钢丝绳135。液压油缸132驱动动滑轮133往复运动。液压油缸132伸长，带动动滑轮133运动，则拉紧钢丝绳135，产生拉力。通过动滑轮133，液压油缸132上下移动一次，可以使钢丝绳135行程移动两倍液压油缸132的行程。

定滑轮134通过转动销137与支架131可转动连接。具体地，请参阅图3，定滑轮134相对于支架131的转动角度范围为-40°~40°。则液压猫头13的工作范围角度为±40°，可以灵活旋转。

钢丝绳135穿过动滑轮133与定滑轮134伸出。

具体在本实施方式中，液压猫头13还包括穿设于钢丝绳135上的回位弹簧138及弹簧夹139。回位弹簧138的一端固定在支架131上，另一端通过弹簧夹139与钢丝绳135固定连接。拉出钢丝绳135时回位弹簧138发生弹性形变，回位弹簧138恢复弹性形变时收回钢丝绳135。

大钳12钳包括上钳121、下钳122两部分。下钳122固定设于下钻杆的接头处，用于卡紧下钻杆或母头接头。下钳122通过绳索15与耳板11连接。绳索15的一端穿过耳板11的开孔，与耳板11固定连接，另一端套接在下钳122的尾端。连接耳板11的绳索15为高碳钢丝绳，直径为22mm，绳长为4000mm。

上钳121卡紧上钻杆或接头，能够正转、反转，能够完成拧卸操作，安全、减轻体力劳动。上钳121固定设于上钻杆的接头处，用于卡紧上钻杆或公头接头。上钳121通过绳索15与液压猫头13连接。可以理解，绳索15可以为液压猫头13的钢丝绳135。具体地，液压猫头13通过钢丝绳135套在上钳121的尾部，与上钳121连接。

液压猫头13拉动钢丝绳135，带动与上钳121转动，使上钻杆的接头与下钻杆的接头上、卸扣。

下钳122位于上钳121的下方，耳板11与下钳122位于同一水平面上，液压猫头13与上钳121位于同一水平面上。耳板11距离钻井甲板的高度比液压猫头13的出绳高度稍低，选取1000mm为宜，使耳板11与液压猫头13相互错位，便于绳索15拉伸操作。

钻杆上卸扣组合装置10还包括固定设于转盘上的动力卡瓦17。动力卡瓦17用于固定钻杆20。动力卡瓦17设于转盘的中心处，钻杆20穿过动力卡瓦17。动力卡瓦17将钻杆20卡持定位，防止钻杆20下落。

通过上述钻杆上卸扣组合装置，可以通过耳板11与一个大钳12配合，以使位于下方的钻杆20的固定。再通过液压猫头13与另一个大钳12配合，以使位于上方的钻杆20固定。当上下两个钻杆20相互对准之后，液压猫头13通过液压油缸拉紧钢丝绳135，在拉力的作用下使钻杆20旋转，对钻杆20进行上扣或卸扣。通过上述钻杆上卸扣组合装置，即可实现钻杆20的安装与拆卸。并且，只需要一套液压猫头13作为动力源进行上扣或者卸扣工作，降低了设备成本。只需要控制一套液压系统，操作方便。

并且，耳板11只需要固定在钻台上的固定支撑物上即可，相对于一个液压猫头13系统的占用空间，大大减小，节约宝贵的钻台空间。

本发明还提供一种钻杆卸扣的方法。

请参阅图4及图5，一种钻杆上卸扣方法用于对上、下钻杆进行卸扣。包括步骤：

步骤s110，耳板11通过绳索15与固定设于下钻杆的下钳122固定连接。

下钳122钳住下钻杆带有内丝扣的接头，用于固定下部多节钻杆，防止钻杆转动。

步骤s120，液压猫头13通过钢丝绳135与固定设于上钻杆的上钳121连接。

液压猫头13的钢丝绳135连接的上钳121钳住套接在上钻杆带有外螺纹的接头。

步骤s130，液压猫头13运动，上钳121动作，液压猫头13伸出的钢丝绳135与固定在上钻杆的上钳121的中心线的角度范围α是-90°到-180°，完成上钻杆和下钻杆的卸扣工作。

当α为-90°时，在相同的拉力情况下，上钳121作用在上钻杆上的力臂最长，即为上钳121的旋转半径r，力矩m最大，最大值为m=fr，其中f为钢丝绳135对上钳121的拉力，r为上钳121的作用半径。

当α为达到-180°时，在相同的拉力情况下，液压猫头13伸出的钢丝绳135和固定在上钻杆的上钳121中心线重合，钢丝绳135牵动的上钳121对上钻杆产生一个拉力，但由于其力臂为0，力矩为0，不能使上钻杆再继续转动，这种情况是不允许发生的，因此，每次钻杆最大旋转角度为90°。

具体在本实施方式中，还包括步骤，顶驱结构19提升或下放钻杆，通过动力卡瓦17把欲装卸的下钻杆固定在转盘中心，使上、下钻杆相互预上扣或预卸扣。

具体在本实施方式中，对上、下钻杆卸扣时，具体作业流程为：

顶驱结构19提升环吊起钻杆，通过动力卡瓦17把欲拆卸下钻杆固定在转盘中心。具体地，钻杆的提升距离为距钻台甲板面高度1米。

下钳122钳住下部带有内丝扣的接头，用于固定下部多节钻杆，防止转动。上钳121钳住套接在上部一节带有外螺纹的钻杆的下部接头。

液压猫头13通过液压油推动液压油缸，产生拉紧钢丝绳135的拉力，在拉力的作用下，上钻杆接头与下钻杆接头产生松动，液压猫头13负责的松扣工作完成。

使用位于钻台甲板的铁钻工移动至钻台钻盘，快速拆下下钻杆，使上、下根钻杆彻底松脱。液压猫头13复位，液压油缸132的推杆恢复到原来的位置，钢丝绳135通过回位弹簧138恢复原位。

利用顶驱提升环提升下部一节钻杆，液压猫头13钳住该节钻杆下部的接头，重复上述步骤，逐节拆卸下部的钻杆。

本发明还提供了一种钻杆上扣方法。

请参阅图6及图7，一种钻杆上扣方法用于对上、下钻杆进行上扣。包括步骤：

步骤s210，耳板11通过绳索15与固定设于下钻杆的下钳122固定连接。

下钳122钳住下钻杆带有内丝扣的接头，用于固定下部多节钻杆，防止钻杆转动。

步骤s220，液压猫头13通过钢丝绳135与固定设于上钻杆的上钳121连接。

液压猫头13的钢丝绳135连接的上钳121钳住套接在上钻杆带有外螺纹的接头。

步骤s230，液压猫头13运动，上钳121动作，液压猫头13伸出的钢丝绳135与固定在上钻杆的上钳121的中心线的角度范围α是90°到180°，完成上钻杆和下钻杆的上扣工作。

当α为90°时，在相同的拉力情况下，力臂最大，为上钳121的旋转半径r，上钳121作用在上钻杆上的力矩m最大，最大值为m=fr，其中f为绳索对上钳的拉力，r为上钳的作用半径。

当α为达到180°时，液压猫头13伸出的钢丝绳135和固定在上钻杆的上钳121中心线重合，钢丝绳135牵动的上钳121对上钻杆产生一个剪切力，但是由于其力臂为0，力矩为0，不能使钻杆转动，这种情况是不允许发生的，因此，每次钻杆最大旋转角度为90°。

具体在本实施方式中，对上、下钻杆进行上扣时，具体作业流程如下：

钻井作业时，顶驱结构19下放一节钻杆，用动力卡瓦17固定钻杆，位于钻台甲板的铁钻工移动至钻台转盘井心处快速对接钻杆。上钻杆和下钻杆预连接后，移开铁钻工。

下钳122钳住下钻杆上部带有内丝扣的母头接头。下钳122用于固定下部多节钻杆，防止转动。上钳121钳住套接在上钻杆下部的公头接头，公头接头带有外螺纹。

液压猫头13通过液压油缸132挤压液压油产生拉紧钢丝绳135的拉力，液压油缸132上下移动一次可以使钢丝绳135行程移动两倍液压油缸132的行程，在力的作用下，上部带有螺纹的接头与下部接头紧固，液压猫头13负责的紧扣工作完成。

使用位于钻台甲板的铁钻工移动至钻台钻盘，快速安装钻杆，使上下部两根钻杆紧固连接。液压猫头13复位，液压油缸132的推杆恢复到原来的位置，钢丝绳135通过回位弹簧138恢复原位。

利用顶驱提升环下放一节钻杆，液压猫头13钳住该节钻杆下部的接头，重复上述步骤，逐节完成上扣工作。

通过上述钻杆卸扣、上扣方法，该钻杆上卸扣组合装置和支撑架14的耳板11配合使用，可以只布置一套液压猫头13装置和一套控制系统，既可以节省钻井平台的建造费用，又可以为其他钻井设备节省了宝贵安装空间，便于整个钻井平台设备的布置。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。