[发明专利]用于以连续的工具旋转和连续的钻井液供应来钻井的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在地下结构中形成井眼的钻机（drilling rig）的设备，其中，钻机包括第一顶部从动钻井机（driven drilling machine），第一顶部从动钻井机被设置成可沿导轨竖直地移位，更具体地，其中在第一钻井机与井眼之间设置有第二钻井机。第二钻井机可沿导轨竖直地移位，并设有：旋转台，其被设置成能够承受管柱的重量；旋转驱动单元，其被设置成用于使管柱连续旋转；流体室，由于流体室设有管柱端口，管柱端口包括被设置成以流体密封的方式封闭管柱端口的装置，故流体室被设置成将管柱端部与钻井液站连接；以及动力钳，由于动力钳设置在流体室中，故动力钳被设置成用于连接到管柱的元件的连续旋转。还描述了用于以连续的工具旋转以及连续的钻井液供应来钻井的方法。

背景技术

在地下钻井期间，例如在与油气勘探相关的勘探和开采钻井中，随着孔的延伸，新的钻杆段被稳定地联结。在每个这样的操作中，管柱的旋转被停止，而且在正在使用的大多数技术中，在管柱延伸时，钻井液的循环同时停止。旋转和钻井液循环中的这种中断的缺陷在业内是公知的。将岩屑运出井（的操作）被停止，岩屑将由此开始下沉，并且岩屑可沉积在水平井眼部。由于在重新开始钻井操作之前，钻井液必须循环一些时间以清洁井眼，所以这会带来时间损失。当管柱停止旋转时，由于下沉岩屑的汇集，而且所要克服的地层壁的摩擦力因井眼与井眼周围的地层之间的压力差而增大，管柱被卡在井眼中的风险也增大。另一缺陷是，钻井液循环的停止导致钻井液中的压力发生变化，如果压力超过临界极限值，地层流体就会进入井眼内，或者钻井液可泄漏到地层内，而这两种情形都是不期望发生的。

从NO326427知晓一种用于顶部驱动器的设备，其中，驱动轴设置成可释放地连接到驱动齿轮，并且第一钻杆的第一端部设有贯通的中心行程，其设置成在钻井液站与钻杆中行进的流体之间实现流体连通。第一、第二可释放的驱动轴或管柱分别包围压力密封件以及一阀（该阀被设置用于在打开位置为钻杆或驱动轴提供一条通道），形成第一室和第二室。第二室分配有钻井液入口，且该钻井液入口设置成在钻井液站与联结外壳之间形成流体连通。

由此提供一种连续的钻井液循环的可能性，但在安装新钻杆段时钻柱不得不停止旋转。

GB2399112描述了在钻井期间用于连接管部件而不停止钻柱的旋转或流体通过管柱的循环的方法和装备。这是通过顶部驱动器与旋转台之间的协作实现的。联结到管部件上的螺纹部的流体循环设备在顶部驱动器与管柱分离时用于进行流体循环。

US6412554描述了供流体在管柱（例如盘绕管路或由螺接在一起的管段组成的管柱）中来回进行连续循环的系统。该系统包括上室和下室，上室和下室具有用于接纳管柱的贯穿开口；而密封装置设置在上、下开口处，并设置成绕管柱紧密地配合。该系统还包括用于使管柱或管部件相对于上室和下室旋转并轴向位移的设备。

发明内容

本发明的目的是弥补或减少现有技术中的至少一个缺陷，或者至少对现有技术提供有效的替换方案。

上述目的通过以下说明书和随后权利要求书所公开的特征实现。

提供一种用于钻机的设备，该设备能够既用于管柱的连续旋转，也用于钻井液的连续循环，使得井的一部分的钻探操作能够不间断地进行。本发明将能够有助于在建立井眼期间增大生产率。利用了设置在钻台之上并与钻台的中心轴线轴向一致的两个钻井机；上部的第一钻井机根据现有技术为顶部驱动器，并执行包括管柱旋转、向管柱供应钻井液、管柱的轴向位移以及还有在联结管柱期间钻杆段相对于钻柱的旋转的基本钻井操作；下部的第二钻井机则除了能够将钻井液供应到管柱之外，还设有被设置成能够悬挂管柱同时旋转管柱的装置。

这两个钻井机包括被设置用于在从钻台或类似位置向上延伸的井架中沿导轨进行竖直和独立的位移的装置。这些钻井机可连接到同一组导轨。

第一钻井机具有向下延伸的驱动轴，该驱动轴出于实践目的通常设有驱动轴延伸部。在进一步的描述中，术语“驱动轴”涵盖任何时间使用的驱动轴，无论其实际上借助可释放单元实体地延伸，还是驱动轴被设置成一个元件。在驱动轴延伸部被明确地表达的情况下，使用术语“驱动轴延伸部”。