连续钻井流体循环单元和装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本文描述了一种用于在连续钻井期间使钻井流体(drilling fluid，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】
[0002]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NO 326427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。
[0003]专利NO 326427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。
[0004]从专利NO 333021及相应的专利公开文献WO 2011/093716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(power tong)，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。
[0005]从专利公开文献WO 0169034A2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。
[0006]专利公开文献WO 2008/147210A2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。
[0007]US 2003/0221519A1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】
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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(saver sub)，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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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:
[0028]1.在钻井序列(drilling sequence，钻井程序)的第一阶段，进行如下步骤:
[0029]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。
[0030]b)钻井流体经由保护接头供给到钻柱的中心孔。
[0031]c)钻柱被上旋转单元保持旋转。
[0032]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。
[0033]e)上旋转单元和钻柱根据所获得的钻井速度而向下移位。
[0034]2.在钻井序列的第二阶段，进行如下步骤:
[0035]a)将循环