[发明专利]一种便于连接和断开部件的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种便于连接和断开部件的装置和方法，所述部件例如为但不限于螺纹部件，如套管、油管、管件或钻杆。连接和断开管形件的一种特殊类型的装置通常指的是铁钻工(iron roughneck)。

在油气井地层钻井的过程中，钻头被安装在钻柱端部并旋转钻出井眼。所述钻柱包括一串称作钻杆节的管形件。钻杆节包括上端和下端。上端设置有具有母螺纹的扩大段，称作阴螺纹端(box end)；下端设置有竖柱(upstand)和公螺纹，成为阳螺纹端。将多节钻杆连接成两节或三节的立根(stand)。利用钻机平台的钻台上的小鼠洞在远离井中中心的地方完成上述连接工作。然后将所述立根从小鼠洞中移到井中心并在井内连接到钻杆柱上。

为了完成两根钻杆之间的连接，无论钻杆节、立根或钻柱的形式都需要利用两种工具来完成：旋转器；扭力扳手。钻杆节或钻杆立根的阳螺纹端被下入到保持在小鼠洞或井中心中的钻杆节或钻柱的阴螺纹端中。所述钻杆节或钻杆立根被吊卡提升到小鼠洞或井中心中。钻杆节或钻杆立根的阳螺纹端被下入到保持在鼠洞或井中心中的钻杆阴螺纹端。然后将旋转器移走并将扭力扳手提供给钻杆。背钳用于阻止保持在小鼠洞或井中心内的钻杆在施加扭矩期间移动，并可在旋拧期间使用。所述背钳被致动以用于使钻杆节或钻杆立根旋转，并扭转所述连接所需的扭矩。然后将扭力扳手和背钳从钻杆上移走。称作铁钻工的装置使旋转器与大钳和背钳结合在一起。

在特定类型的接头中，如阴螺纹端和竖柱“台肩”，在给接头加扭矩时，竖柱表面和阴螺纹端表面接合，并且使上部钻杆相对于下部钻杆旋转所需的扭矩快速增加。在旋转步骤之后，这种类型的接头通常 需要少于45度的旋转以便进行加扭矩步骤。然而，一些连接不具有台肩，并具有连续的螺纹，如Hydril Wedge Thread类型的连接。

修井期间，以与钻柱相同的方式将管柱下入到井中。然而，所述管柱有时被称作工具管柱，而不是称作钻柱。

其它管形件用在油气井的建造和维护中，如套管。套管通常旋紧在井中心内的一节上并被下入到井中。之后将所述套管从井顶部悬挂并可用水泥胶结在合适的位置。称作尾管的其它管形件旋紧在一起并被下入到所述井中。所述尾管从一节套管的底部悬挂并可用水泥胶结在合适的位置。

井下工具还可被连接成下述任一种：钻柱、工具管柱、套管或尾管。这些井下工具可利用螺纹连接，因此需要旋拧和加扭矩。

用于旋拧和加扭矩的上述方法可应用到具有上述螺纹连接的任意管形件上。

现有技术包括各种铁钻工，例如参见美国专利US4,023,449、US4,348,920、US4,765,401、US6,776,070；这里引用所有这些专利文献作为参考。

各种现有技术的铁钻工具有一同安装在托架上的气动扳手和扭力扳手。例如，为了在两个管形件(如钻杆接头)之间形成或断开的螺纹连接，特定的铁钻工具有扭力扳手，该扭力扳手具有两个颚平面。扭力扳手的上颚用于夹紧到部分上部管形件上；而下颚夹紧到下部管形件上，例如钻杆的上、下螺纹连接的部件。在夹紧到所连接的管形件上之后，上颚和下颚被相对旋转，以断开上部管形件和下部管形件之间的连接。安装在托架上位于扭力扳手上方的旋转扳手(spinningwrench)接合上部管形件并使其旋转，直至与下部管形件断开为止。

特定的现有铁钻工系统包括托架，该托架用于沿着预定的轨道在钻台表面上滚动。在特定的现有系统中，安装旋转器和扭力扳手，它们适于相对于托架上下移动，适于与管形件正确接合，适于在两个位置之间倾斜移动，所述两个位置分别为：旋转器和扭力扳手的轴线直接垂直延伸以与直井管接合的位置，以及旋转器和扭力扳手的轴线相对于真垂线以小角度设置以便与倾斜的小鼠洞内的管接合和作用的位置。在特定的现有系统中，气动扳手可相对于扭力扳手竖直移动。

各种无台肩连接包括但不局限于楔形螺纹连接，各种现有的铁钻工可通过范围在约28度到约30度之间的圆弧来旋转管形件。然而，两个无台肩连接之间的精确完全接合常常需要一个管形件旋转多于30度，从而形成良好的连接。为了提供另外的旋转，这些现有的系统必须要松开、复位颚、再夹紧和再次旋转(并且可能的话，进行多次上述步骤)。

多个现有的铁钻工和大钳可扭曲或损坏薄壁管形件，这是由于它们使用了两个相对的颚来夹紧管形件。对于其它的现有系统，旋转器可将管形件的阳螺纹端旋入阴螺纹端内，但是，由于需要较长的锥形阳螺纹端，因而不能获得所述连接的台肩，需要利用扭力扳手重新夹紧所述管形件并再次旋转一个管形件。