устройство и способы манипуляции трубными элементами

Формула изобретения

1. Инструмент для спускоподъемных операций для манипуляции трубными элементами, содержащий элемент предварительного нагружения, выполненный с возможностью приложения осевого усилия и содержащий исполнительный механизм, выполненный с возможностью создания осевой нагрузки, стыковочное устройство инструмента для спускоподъемных операций, выполненное с возможностью соединения исполнительного механизма с конструкцией указанного инструмента, и стыковочное устройство для трубного элемента, выполненное с возможностью передачи осевой нагрузки, создаваемой исполнительным механизмом, щелевой элемент, имеющий множество удлиненных щелей, проходящих в некотором направлении, элемент с выемками, функционально связанный с щелевым элементом и имеющий множество выемок, каждая из которых сужается на конус в направлении от мелкого конца к глубокому концу, и множество перекатывающихся элементов, каждый из которых частично выступает через примыкающую одну из множества удлиненных щелей при расположении в мелком конце соответствующей одной из множества выемок и втянут внутрь внешнего периметра щелевого элемента при расположении в глубоком конце соответствующей одной из множества выемок, при этом, по меньшей мере, часть осевого усилия передается по трубному элементу на, по меньшей мере, часть множества перекатывающихся элементов.

2. Инструмент по п.1, в котором осевое усилие, создаваемое на трубном элементе, является достаточным для создания крутящего момента на трубном элементе указанным инструментом посредством части множества перекатывающихся элементов.

3. Инструмент по п.1 или 2, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один исполнительный механизм, проходящий между указанным инструментом и подъемником и выполненный с возможностью перемещения трубной секции между примыкающим местоположением буровой установки и местоположением вблизи указанного инструмента.

4. Устройство для манипуляции с трубными элементами, содержащее инструмент для спускоподъемных операций с трубными элементами, подъемник для трубных элементов, множество первых исполнительных механизмов, проходящих между указанным инструментом и подъемником, и множество вторых исполнительных механизмов, проходящих каждый между указанным инструментом и соответствующим одним из первых исполнительных механизмов, при этом инструмент для спускоподъемных операций содержит элемент предварительного нагружения, выполненный с возможностью приложения осевого усилия и содержащий исполнительный механизм, выполненный с возможностью создания осевой нагрузки, стыковочное устройство указанного инструмента, выполненное с возможностью соединения исполнительного механизма с конструкцией указанного инструмента, и стыковочное устройство для трубного элемента, выполненное с возможностью передачи осевой нагрузки, создаваемой исполнительным механизмом, щелевой элемент, имеющий множество удлиненных щелей, элемент с выемками, функционально связанный с щелевым элементом и имеющий множество выемок, каждая из которых сужается на конус в направлении от мелкого конца к глубокому концу, и множество перекатывающихся элементов, связанных с множеством выемок и множеством удлиненных щелей, при этом каждый из множества перекатывающихся элементов частично выступает через примыкающую одну из множества удлиненных щелей при расположении в мелком конце соответствующей одной из множества выемок и втянут внутрь, по меньшей мере, части щелевого элемента при расположении в глубоком конце соответствующей одной из множества выемок.

5. Устройство по п.4, в котором подъемник содержит щелевой элемент подъемника, имеющий множество удлиненных щелей, проходящих в некотором направлении, элемент с выемками подъемника, соединенный с щелевым элементом подъемника с возможностью скольжения относительно него и имеющий множество выемок, каждая из которых сужается на конус в направлении от мелкого конца к глубокому концу, и множество перекатывающихся элементов, каждый из которых удерживается между одной из множества выемок и одной из множества удлиненных щелей, частично выступает через примыкающую одну из множества удлиненных щелей при расположении в мелком конце соответствующей одной из множества выемок и втянут внутрь внешнего периметра щелевого элемента подъемника при расположении в глубоком конце соответствующей одной из множества выемок.

6. Устройство по п.4 или 5, в котором каждый первый исполнительный механизм содержит первый цилиндр, имеющий первый конец и второй конец, при этом первый конец поворотно соединен с первой точкой прикрепления инструмента для спускоподъемных операций, и первый шток проходит от второго конца и поворотно соединен с подъемником.

7. Устройство по п.6, в котором каждый второй исполнительный механизм содержит второй цилиндр, имеющий первый конец и второй конец, при этом первый конец второго цилиндра поворотно соединен со второй точкой прикрепления инструмента для спускоподъемных операций, и второй шток проходит от второго конца второго цилиндра и поворотно соединен с первым цилиндром.

8. Устройство по п.7, в котором инструмент для спускоподъемных операций выполнен с возможностью соединения посредством трения с, по меньшей мере, одной поверхностью на трубном элементе посредством достаточной осевой нагрузки, создаваемой исполнительным механизмом для создания крутящего момента на трубном элементе посредством части множества перекатывающихся элементов.

9. Устройство по п.8, в котором, по меньшей мере, один из множества перекатывающихся элементов выполнен с возможностью соединения с внешней поверхностью трубного элемента и/или выполнен с возможностью опускания соединенного с ним трубного элемента на часть колонны над буровым полом.

10. Устройство по п.4, дополнительно содержащее контроллер, связанный с инструментом для спускоподъемных операций, подъемником и первыми и/или вторыми исполнительными механизмами для осуществления автоматизации устройства.

11. Устройство по п.4, в котором подъемник выполнен с возможностью соединения с внешней поверхностью промежуточного аксиального участка трубного элемента и/или инструмент для спускоподъемных операций выполнен с возможностью соединения с внешней поверхностью трубного элемента посредством трения, достаточного для приложения крутящего момента к трубному элементу, при этом участок инструмента для спускоподъемных операций образует гидравлическое уплотнение с концом трубного элемента при соединении инструмента для спускоподъемных операций с трубным элементом.

12. Устройство по п.4, в котором инструмент для спускоподъемных операций выполнен с возможностью соединения с внутренней поверхностью трубного элемента посредством трения, достаточного для приложения крутящего момента к трубному элементу.

13. Способ манипуляции трубными элементами, содержащий следующие этапы: соединение, по меньшей мере, одной поверхности промежуточного аксиального участка трубного элемента с подъемником для трубных элементов; приведение в действие множества элементов штропов, проходящих между подъемником и инструментом для спускоподъемных операций с трубными элементами, для установки конца трубного элемента в указанный инструмент; соединение, по меньшей мере, одной поверхности другого участка трубного элемента с инструментом для спускоподъемных операций; опускание присоединенного инструмента для спускоподъемных операций и опускание трубного элемента на часть колонны над буровым полом; приложение осевого усилия к концу трубного элемента в инструменте для спускоподъемных операций посредством приведения в действие элемента предварительного нагружения указанного инструмента и перемещения элемента с выемками указанного инструмента вниз по оси к трубному элементу для соединения множества перекатывающихся элементов, функционально связанных с захватывающим механизмом указанного инструмента, с трубным элементом.

14. Способ по п.13, дополнительно содержащий отсоединение подъемника для трубных элементов от трубного элемента и/или отсоединение инструмента для спускоподъемных операций от трубного элемента.

15. Способ по п.14, в котором отсоединение инструмента для спускоподъемных операций от трубного элемента содержит снятие осевого усилия, приложенного к концу трубного элемента в указанном инструменте.

16. Способ по п.13, дополнительно содержащий вращение трубного элемента посредством приложения крутящего усилия для вращения инструмента для спускоподъемных операций при соединении с ним трубного элемента, при этом крутящее усилие составляет не менее около 6780 Нм (5000 фут-фунт).

Описание изобретения к патенту

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Бурение подземных скважин включает в себя сборку трубных колонн, таких как колонны обсадных труб и бурильные колонны, каждая из которых содержит множество тяжелых, удлиненных трубных секций, проходящих вниз от буровой установки в ствол скважины. Трубная колонна состоит из ряда соединенных на резьбе трубных секций.

Обычно рабочие используют трудоемкий способ соединения трубных секций для формирования колонны труб. Данный способ обычно включает в себя использование рабочего, "заводящего" конец верхней трубы в муфту нижней, и оператора трубного ключа. Заводящий рабочий вручную совмещает нижний конец трубной секции с верхним концом собранной трубной колонны, и оператор трубного ключа присоединяет ключи для вращения секции для свинчивания с трубной колонной. Хотя такой способ является действенным, он опасный, громоздкий и непроизводительный. Кроме того трубные ключи требуют нескольких рабочих для надлежащего соединения трубной секции и скрепления трубной секции с трубной колонной. Таким образом, такой способ является трудоемким и поэтому дорогостоящим. Дополнительно к этому, использование трубных ключей может требовать использования подмостей или других аналогичных структур, которые подвергают опасности рабочих.

Другие решения включают в себя инструмент для спускоподъемных операций с использованием обычного блока верхнего привода для сборки колонн трубного инструмента. Инструмент для спускоподъемных операций включает в себя манипулятор, входящий в контакт с трубной секцией и поднимающий трубную секцию в подъемник, использующий приложенное усилие для удержания трубной секции. Подъемник соединяется с верхним приводом, вращающим подъемник. Таким образом, трубная секция входит в контакт с колонной труб, и верхний привод вращает трубную секцию и свинчивает ее с колонной труб.

Хотя такой инструмент обеспечивает преимущества по сравнению с обычными системами, используемыми для сборки трубных колонн, он также имеет недостатки. Один такой недостаток заключается в возможности повреждения трубной секции зажимными плашками подъемника. Другой недостаток заключается в том, что обычный манипулятор не может снимать одиночные трубные звенья и укладывать их на трубный мост без участия рабочих.

Другие инструменты также предложены для устранения данных недостатков. Вместе с тем такие инструменты часто неспособны работать с трубами неодинаковых размеров. Когда трубы, которыми манипулируют, не являются идеальными по размерам и имеют различную толщину стенок или неидеальную цилиндричность, возможности инструментов по адекватному соединению с трубами снижаются.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к устройству для манипуляции трубными элементами, содержащему: инструмент для спускоподъемных операций с трубными элементами, подъемник для трубных элементов, множество первых исполнительных механизмов, проходящих каждый между инструментом для спускоподъемных операций и подъемником, и множество вторых исполнительных механизмов, проходящих каждый между инструментом для спускоподъемных операций и соответствующим одним из первых исполнительных механизмов, при этом каждый из первых и вторых исполнительных механизмов имеет гидравлическое управление, инструмент для спускоподъемных операций включает в себя щелевой элемент, имеющий множество удлиненных щелей, каждую проходящую в некотором направлении, элемент с выемками, соединенный с щелевым элементом с возможностью скольжения относительно него и имеющий множество выемок, каждая из которых сужается на конус в направлении от мелкого конца к глубокому концу, и множество перекатывающихся элементов, удерживаемых каждый между одной из множества выемок и одной из множества удлиненных щелей. В предпочтительном варианте осуществления каждый из множества перекатывающихся элементов частично выступает из примыкающей одной из множества удлиненных щелей, когда расположен в мелком конце соответствующей одной из множества выемок, и каждый из множества перекатывающихся элементов втягивается внутрь внешнего периметра щелевого элемента, когда расположен в глубоком конце соответствующей одной из множества выемок.

В одном варианте осуществления подъемник включает в себя щелевой элемент подъемника, имеющий множество удлиненных щелей, проходящих каждая в некотором направлении, элемент подъемника с выемками, соединенный с щелевым элементом подъемника с возможностью скольжения относительно него и имеющий множество выемок, каждая из которых сужается на конус в направлении от мелкого конца к глубокому концу, и множество перекатывающихся элементов подъемника, удерживаемых, каждый, между одной из множества выемок и одной из множества удлиненных щелей, при этом каждый из множества перекатывающихся элементов подъемника частично выступает из примыкающей одной из множества удлиненных щелей, когда расположен в мелком конце соответствующей одной из множества выемок, и втянут внутрь внешнего периметра щелевого элемента подъемника, когда расположен в глубоком конце соответствующей одной из множества выемок. В другом варианте осуществления инструмент для спускоподъемных операций выполнен с возможностью соединения с внешней поверхностью трубного элемента посредством трения, достаточного для приложения крутящего момента к трубному элементу. В другом варианте осуществления крутящий момент составляет, по меньшей мере, около 6780 Нм (5000 фут.фунт), а в предпочтительном варианте осуществления крутящий момент составляет, по меньшей мере, около 67800 Нм (50000 фут.фунт).

В другом варианте осуществления каждый первый исполнительный механизм включает в себя первый цилиндр, имеющий первый конец и второй конец, при этом первый конец поворотно соединен с первой точкой прикрепления инструмента для спускоподъемных операций, и первый шток проходит от второго конца и поворотно соединен с подъемником. В предпочтительном варианте осуществления каждый второй исполнительный механизм включает в себя второй цилиндр, имеющий первый конец и второй конец, при этом первый конец второго цилиндра поворотно соединен со второй точкой прикрепления инструмента для спускоподъемных операций, и второй шток проходит от второго конца второго цилиндра и поворотно соединен с первым цилиндром. В другом варианте осуществления трубный элемент включает в себя, по меньшей мере, один из следующего: элемент обсадной колонны ствола скважины, трубный элемент бурильной колонны, трубчатый элемент и элемент колонны насосно-компрессорной трубы с муфтами.

В дополнительном варианте осуществления устройство дополнительно включает в себя контроллер, имеющий связь с инструментом для спускоподъемных операций, подъемником и первыми и вторыми исполнительными механизмами. В предпочтительном варианте осуществления контроллер выполнен с возможностью, по существу, автоматизации работы подъемника и первых и вторых исполнительных механизмов при соединении подъемника и трубного элемента. В другом предпочтительном варианте осуществления подъемник выполнен с возможностью соединения с внешней поверхностью промежуточного аксиального участка трубного элемента и в более предпочтительном варианте осуществления с, по меньшей мере, двумя различными промежуточными аксиальными участками трубного элемента. В другом предпочтительном варианте осуществления контроллер выполнен с возможностью, по существу, автоматизации работы инструмента для спускоподъемных операций, подъемника и первых и вторых исполнительных механизмов при соединении инструмента для спускоподъемных операций и трубного элемента. В другом варианте осуществления инструмент для спускоподъемных операций выполнен с возможностью соединения посредством трения с трубным элементом, при этом участок инструмента для спускоподъемных операций образует гидравлическое уплотнение с концом трубного элемента, когда инструмент для спускоподъемных операций соединен с трубным элементом.

Изобретение дополнительно относится к способу манипуляций трубными элементами, включающему в себя соединение внешней поверхности промежуточного аксиального участка трубного элемента с подъемником для трубных элементов, приведение в действие множества звеньев штропов, проходящих между подъемником и инструментом для спускоподъемных операций с трубными элементами для установки конца трубного элемента в инструмент для спускоподъемных операций, и соединение внешней поверхности другого участка трубного элемента с инструментом для спускоподъемных операций, включающее в себя приложение осевого усилия к концу трубного элемента в инструменте для спускоподъемных операций.

В одном варианте осуществления приложение осевого усилия к концу трубного элемента включает в себя приведение в действие гидроцилиндра или электрического исполнительного механизма для перемещения элемента с выемками захватывающего механизма относительно корпуса захватывающего механизма, обуславливающего соединение каждого из множества перекатывающихся элементов захватывающего механизма с трубным элементом. В другом варианте осуществления способ дополнительно включает в себя отсоединение подъемника для трубных элементов от трубного элемента и отсоединение инструмента для спускоподъемных операций от трубного элемента. В предпочтительном варианте осуществления отсоединение инструмента для спускоподъемных операций от трубного элемента включает в себя снятие осевого усилия, приложенного к концу трубного элемента в инструменте для спускоподъемных операций. В дополнительном варианте осуществления способ дополнительно включает в себя вращение трубного элемента посредством вращения инструмента для спускоподъемных операций, когда трубный элемент соединен с инструментом для спускоподъемных операций, включающее в себя приложение крутящего усилия к трубному элементу, при этом крутящее усилие составляет не менее около 6780 Нм (5000 фут.фунт).

Изобретение также относится к устройству для манипуляции трубными элементами, содержащему средство соединения с внешней поверхностью промежуточного аксиального участка трубного элемента, средство установки средства соединения для установки конца присоединенного трубного элемента в инструмент для спускоподъемных операций и средство приложения осевого усилия к концу трубного элемента в инструменте для спускоподъемных операций для соединения внешней поверхности другого участка трубного элемента с инструментом для спускоподъемных операций, при этом средство соединения, средство установки и средство приложения усилия будут понятны специалисту в данной области техники из описания и примеров вариантов осуществления, приведенных в данном документе.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Настоящее изобретение можно лучше понять из следующего подробного описания с прилагаемыми чертежами. Согласно стандартной практике, принятой в отрасли, различные признаки вычерчены не в масштабе. Фактически размеры различных признаков могут быть произвольно увеличены или уменьшены для ясности рассмотрения.

На фиг.1A показан изометрический вид, по меньшей мере, части устройства по одному или нескольким аспектам настоящего изобретения.

На фиг.1B-G показаны изометрические виды устройства фиг.1A на последовательных этапах работы.

На фиг.2 показано сечение участка устройства фиг.1A-G.

На фиг.3A-D показана часть сечений устройства фиг.1A-G в ряде этапов работы.

На фиг.4 схематично показано устройство согласно одному или нескольким аспектам настоящего изобретения.

На фиг.5A показана блок-схема последовательности операций, по меньшей мере, части способа по одному или нескольким аспектам настоящего изобретения.

На фиг.5B показана блок-схема последовательности операций, по меньшей мере, части способа по одному или нескольким аспектам настоящего изобретения.

На фиг.5 C показана блок-схема последовательности операций, по меньшей мере, части способа по одному или нескольким аспектам настоящего изобретения.

На фиг.6 показано сечение участка варианта осуществления устройства фиг.2.

На фиг.7A и 7B показаны изометрические виды варианта осуществления устройства, показанного на фиг.6.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Следует понимать, что приведенное ниже описание раскрывает различные варианты осуществления настоящего изобретения. Конкретные примеры компонентов и устройств описаны ниже для упрощения понимания настоящего изобретения. Описание приводит только примеры и не является ограничивающим изобретение. Кроме того, в настоящем описании могут повторяться цифровые и/или буквенные позиции ссылки в различных примерах. Данное повторение имеет целью упрощение и придание ясности и само не диктует взаимосвязи между различными рассматриваемыми вариантами осуществления и/или конфигурациями. Кроме того, образование первого признака поверх или на втором признаке в следующем описании может включать в себя варианты осуществления, в которых первый и второй признаки образованы в прямом контакте, и могут также включать в себя варианты осуществлений, в которых дополнительные признаки могут быть выполнены противопоставленными первому и второму признакам, так что первый и второй признаки могут не находиться в прямом контакте.

На фиг.1 показан изометрический вид, по меньшей мере, участка устройства 100 согласно одному или нескольким аспектам настоящего изобретения. Устройство 100 включает в себя инструмент 110 для спускоподъемных операций с трубными элементами, подъемник 120 для трубных элементов и компоновку 130 отклоняющихся штроп подъемника.

Инструмент 110 для спускоподъемных операций выполнен с возможностью приема трубного элемента 105 и, по меньшей мере, его временного захвата, соединения силами трения с ним или иного его удержания. Например, инструмент 110 для спускоподъемных операций можно выполнить для захвата или иного соединения с внутренней поверхностью трубного элемента 105, внешней поверхностью трубного элемента 105 или и с внутренней поверхностью и с внешней поверхностью трубного элемента 105, или его участками. Трение, с помощью которого инструмент 110 для спускоподъемных операций устанавливает соединение или иначе удерживает трубный элемент 105, может быть достаточным для несения безопасной рабочей нагрузки, составляющей, по меньшей мере, 5 тонн. Вместе с тем другие значения безопасной рабочей нагрузки для инструмента 110 для спускоподъемных операций также находятся в объеме настоящего изобретения.

Трение, с помощью которого инструмент 110 для спускоподъемных операций соединяется с трубным элементом 105 или иначе его удерживает, может также быть достаточным для приложения крутящего усилия к трубному элементу 105, такого, какое можно передавать через инструмент 110 для спускоподъемных операций от верхнего привода или других компонентов бурильной колонны. В являющемся примером варианте осуществления крутящий момент, который можно прикладывать к трубному элементу 105 инструментом 110 для спускоподъемных операций, может составлять, по меньшей мере, около 6780 нм (5000 фут.фунт), что может являться достаточным для "скрепления" соединения между трубным элементом 105 и другим трубным элементом. Крутящий момент, который можно прикладывать к трубному элементу 105, может дополнительно или альтернативно, составлять по меньшей мере, около 67800 нм (50000 фут.фунт), что может являться достаточным для "раскрепления" соединения между трубным элементом 105 и другим трубным элементом. Вместе с тем другие значения крутящего момента также находятся в объеме настоящего изобретения.

Трубный элемент 105 может быть элементом обсадной колонны ствола скважины, трубным элементом бурильной колонны, трубчатым элементом, элементом колонны насосно-компрессорных труб с муфтами и/или другим трубным элементом. Трубный элемент 105 может представлять собой однотрубку или предварительно собранную двойную или тройную свечу. В являющемся примером варианте осуществления трубный элемент 105 может представлять собой или включать в себя одну, два или три звена с муфтовыми или встроенными трубными замками или трубы с резьбой, которые можно использовать в качестве участка колонны насосно-компрессорных труб, обсадной колонны или бурильной колонны. Трубный элемент 105 может альтернативно быть или включать в себя секцию трубопровода, которую можно использовать в транспортировке жидких материалов и/или текучих сред. Трубный элемент 105 может альтернативно представлять собой или включать в себя один или несколько других трубных структурных элементов. Трубный элемент 105 может иметь сечение с кольцевым пространством, имеющим по существу цилиндрическую, прямоугольную или другую геометрическую форму.

В являющемся примером варианте осуществления, по меньшей мере, участок инструмента 110 для спускоподъемных операций является, по существу, аналогичным инструменту для спускоподъемных операций или устройству для работы с трубами, описанными в патенте США № 7445050 (Заявка № 11/410733) и в патенте США, заявка № 11/619946 под названием "Устройство для работы с трубами", зарегистрированная 4 января 2007 г., каждый из которых полностью включен в данный документ в виде ссылки. Например, один или несколько принципов работы, компонентов и/или других аспектов устройств, описанных в документах, на которые выше дана ссылка, можно реализовать в одном или нескольких вариантах осуществления инструмента 110 для спускоподъемных операций в объеме настоящего изобретения.

Инструмент 110 для спускоподъемных операций выполнен с возможностью соединения или стыковки с верхним приводом или свечой бурильной колонны или компонентом. Например, как схематично представлено в являющемся примером варианте осуществления на фиг.1A, инструмент 110 для спускоподъемных операций может включать в себя стыковочное устройство 112, выполненное с возможностью совмещения, соединения или иной стыковки с шпинделем, корпусом и/или другим компонентом верхнего привода или компонентом бурильной колонны. В являющемся примером варианте осуществления стыковочное устройство 112 включает в себя одну половину в виде стандартного муфтово-ниппельного трубного замка, обычно используемого в буровых работах. Вместе с тем, другие стыковочные устройства также входят в объем настоящего изобретения.

Подъемник 120 также выполнен с возможностью приема трубного элемента 105 и, по меньшей мере, его временного захвата, соединения трением с ним или иного его удержания. Например, подъемник 120 может быть выполнен для захвата или иного соединения с внутренней поверхностью трубного элемента 105, внешней поверхностью трубного элемента 105 или внутренней поверхностью и внешней поверхностью трубного элемента 105 или его участка. Трение, с помощью которого подъемник 120 соединен с трубным элементом 105 или иначе удерживает его, может являться достаточным для несения безопасной рабочей нагрузки, составляющей, по меньшей мере, 5 тонн. Вместе с тем, другие значения безопасной рабочей нагрузки для подъемника 120 также находятся в объеме настоящего изобретения.

В являющемся примером варианте осуществления, по меньшей мере, участок подъемника 120 является, по существу, аналогичным инструменту для спускоподъемных операций с трубными элементами или другому устройству для работы с трубами, описанному в заявке на патент США № 11/410733 под названием "Устройство для спускоподъемных операций труб", зарегистрированной 25 апреля 2007 г., и в заявке на патент США № 11/619946 под названием "Устройство для работы с трубами", зарегистрированной 4 января 2007 г., или иначе, имеет один или несколько аналогичных аспектов или принципов работы. Вместе с тем, подъемник 120 может альтернативно включать в себя ряд башмаков, боковых опор и/или других фрикционных элементов, выполненных с возможностью радиального сжатия вокруг внешней поверхности трубного элемента 105 удержания трубного элемента 105 среди других конфигураций в объеме настоящего изобретения.

Хотя как инструмент 110 для спускоподъемных операций, так и подъемник 120 выполнены с возможностью соединения с трубным элементом 105, инструмент 110 для спускоподъемных операций выполнен с возможностью соединения и/или может приводиться в действие для соединения с концевым участком 105а трубного элемента 105 посредством радиального увеличения инструмента, обеспечивающего беспрепятственный проход концевого участка 105а трубного элемента 105 в инструмент 110, после чего захватывающие элементы инструмента соединяются с трубой на уменьшенном участке 105c. Вместе с тем, подъемник 120 выполнен с возможностью соединения и/или может приводиться в действие для соединения с промежуточным аксиальным участком 105b трубного элемента. Например, инструмент 110 для спускоподъемных операций может быть выполнен для соединения с радиально увеличенным заплечиком, часто выполняемым на обычных буровых замках, при этом подъемник 120 может быть выполнен для соединения с меньшим диаметром оставшейся длины замка.

Компоновка 130 отклоняющихся штроп подъемника включает в себя кронштейн 140, два исполнительных механизма 150, каждый из которых проходит между инструментом 110 для спускоподъемных операций и подъемником 120, и два других исполнительных механизма 160, каждый из которых проходит между кронштейном 140 и соответствующим одним из исполнительных механизмов 150. Альтернативное решение может включать в себя вращательный исполнительный механизм на конце шарнира 150a в соединении с линейным исполнительным механизмом 150. Концы каждого исполнительного механизма 150, 160 могут быть выполнены в виде поворотных шарниров, например, с включением в состав конструктивной проушины или крюка с закреплением в нем штифта или другого соединительного средства. Таким образом, концы 150a исполнительных механизмов 150 могут поворотно соединяться с инструментом 110 для спускоподъемных операций или промежуточной конструкцией, соединенной с инструментом 110 для спускоподъемных операций, и противоположные концы 150b исполнительных механизмов 150 могут поворотно соединяться с подъемником 120 или промежуточной конструкцией, соединенной с подъемником 120. Аналогично концы 160a исполнительных механизмов 160 могут поворотно соединяться с кронштейном 140, и противоположные концы 160b исполнительных механизмов 160 могут поворотно соединяться с исполнительными механизмами 150 или промежуточной конструкцией, соединенной с исполнительными механизмами 150.

В являющемся примером варианте осуществления, показанном на фиг.1A, конец 160b каждого исполнительного механизма 160 поворотно соединен с соответствующим кронштейном 155, который неподвижно закреплен относительно соответствующего исполнительного механизма 150 в промежуточном положении между концами 150a, 150b исполнительного механизма 150. Каждый кронштейн 155 может иметь U-образный профиль или иначе выполнен с возможностью приема и соединения поворотным шарниром с концом 160b соответствующего исполнительного механизма 160. Кронштейны 155 могут быть соединены с соответствующими исполнительными механизмами 150 одним или несколькими болтами 156, как показано на фиг.1A, хотя другое средство крепления можно также использовать.

Концевые точки 160a исполнительных механизмов 160 отнесены от концевых точек 150a исполнительных механизмов 150, так что выдвижение и втягивание штоков исполнительных механизмов 160 поворачивает исполнительные механизмы 150 относительно инструмента 110 для спускоподъемных операций. Например, концевые точки 160a, каждая, отнесены от связанных с ними концевых точек 150a в обоих направлениях X и Z согласно системе координат, показанной на фиг.1A. В других вариантах осуществления концевые точки 160a могут, каждая, быть отнесены от связанных с ними концевых точек 150a только в одном из направлений, X или Z, что также обеспечивает поворот исполнительных механизмов 150 относительно инструмента 110 для спускоподъемных операций (т.e. поворот вокруг оси, проходящей через обе концевые точки 150a, и параллельной оси Y системы координат, показанной на фиг.1A).

Каждый из исполнительных механизмов 150 и исполнительных механизмов 160 может представлять собой цилиндр линейного действия или включать в себя такой цилиндр с гидравлическим, электрическим, механическим, пневматическим или комбинированным управлением. В являющемся примером варианте осуществления, показанном на фиг.1A, каждый исполнительный механизм 150, 160 включает в себя цилиндрический корпус, из которого выходит одиночный цилиндрический шток (например, поршня). В других вариантах осуществления один или несколько исполнительных механизмов 150, 160 могут включать в себя многоступенчатый исполнительный механизм, включающий в себя несколько корпусов и/или цилиндров, возможно в телескопической конфигурации, с созданием увеличенной длины рабочего хода и/или более компактное решение, среди других возможных преимуществ.

В показанном варианте осуществления каждый исполнительный механизм 150 включает в себя цилиндр, соединенный с инструментом 110 для спускоподъемных операций, при этом шток выходит из цилиндра и соединяется поворотным шарниром с подъемником 120. Кроме того, каждый исполнительный механизм 160 включает в себя цилиндр, соединенный с кронштейном 140 инструмента 110 для спускоподъемных операций, при этом шток выходит из противоположного конца цилиндра и поворотно соединен с соответствующим кронштейном 155. Каждый кронштейн 155 соединен с цилиндром соответствующего исполнительного механизма 150 вблизи конца цилиндра, из которого выходит шток. Вместе с тем, другие конфигурации компоновки 130 отклоняющихся штроп подъемника также входят в объем настоящего изобретения.

Конфигурация, показанная на фиг.1A, может относиться к начальному или промежуточному этапу подготовки трубного элемента для наращивания бурильной колонны. Таким образом, исполнительные механизмы 160 могут быть выдвинуты для поворота исполнительных механизмов 150 от центральной осевой линии бурильной колонны, и исполнительные механизмы 150 могут быть выдвинуты для начальной установки подъемника 120 вокруг промежуточного аксиального участка 105b трубного элемента 105. На практике каждый трубный элемент 105 может иметь ограничитель 105c захвата подъемником, задающий аксиально промежуточный участок 105b, на котором подъемник 120 должны устанавливать перед захватом трубного элемента 105. В некоторых вариантах осуществления действие подъемника 120 с захватом трубного элемента 105 за ограничителем 105c (т.e. слишком близко к концу 105a) может механически повредить трубный элемент 105, таким образом, уменьшая его срок службы. В являющемся примером варианте осуществления ограничитель 105c может находиться в 0,6 м (два фута) от конца 105a трубного элемента 105 или, возможно, на расстоянии, составляющем около 5-10% общей длины трубного элемента 105. Вместе с тем, точное расположение ограничителя 105c может изменяться в объеме настоящего изобретения. Например, расстояние, отделяющее конец 105a трубного элемента 105 от ограничителя 105c захвата, может быть равно или, по меньшей мере, незначительно больше расстояния, на которое трубный элемент 105 должны вводить в инструмент 110 для спускоподъемных операций, как показано на последующих фигурах и описано ниже.

Исполнительные механизмы 150, 160 можно приводить в действие для установки подъемника 120 на промежуточном участке 105b трубного элемента 105, как показано на фиг.1A. Подъемник 120 можно затем привести в действие для захвата или иного соединения с трубным элементом 105. Затем, как показано на фиг.1B, исполнительные механизмы 160 можно привести в действие для поворота подъемника 120 и трубного элемента 105 к центральной осевой линии бурильной колонны и/или инструмента 110 для спускоподъемных операций, например, втягивая штоки исполнительных механизмов 160 и обуславливая поворот исполнительных механизмов 150 вокруг их точек 150a крепления. При продолжении данного перемещения конец 105a трубного элемента 105 устанавливается в нижнее отверстие инструмента 110 для спускоподъемных операций или вблизи него, как показано на фиг.1C. В являющемся примером варианте осуществления данное действие продолжается до выставления подъемника 120 и трубного элемента 105, по существу соосно с инструментом 110 для спускоподъемных операций, как показано на фиг.1D.

Во время последующих этапов данного процесса исполнительные механизмы 150 можно приводить в действие для вставления конца 105a трубного элемента 105 в инструмент 110 для спускоподъемных операций, как показано на фиг.1E, 1F и 1G. Например, штоки исполнительных механизмов 150 можно втягивать для втягивания конца 105a трубного элемента 105 в инструмент 110 для спускоподъемных операций. Как показано на фиг.1G, штоки исполнительных механизмов 150 и исполнительных механизмов 160 можно полностью втянуть, так что значительный участок конца 105a трубного элемента 105 может быть вставлен в инструмент 110 для спускоподъемных операций. Инструмент 110 для спускоподъемных операций может быть выполнен для соединения затем с трубным элементом 105 так, что трубный элемент 105 удерживается даже при последующем отсоединении подъемника 120 от трубного элемента 105.

После полного вставления конца 105a трубного элемента 105 в инструмент 110 для спускоподъемных операций и соединения с ним на участке инструмента 110 для спускоподъемных операций может создаваться гидравлическое уплотнение с концом 105a трубного элемента 105. Например, один или несколько фланцев и/или других уплотняющих компонентов внутри инструмента 110 для спускоподъемных операций могут устанавливаться в конце 105a трубного элемента 105 и/или вокруг него для выполнения гидравлического уплотнения. Такие уплотняющие компоненты могут, по меньшей мере, частично включать в себя резину или другой податливый материал. Уплотняющие компоненты могут дополнительно или альтернативно включать в себя металлический или другой не податливый материал. В являющемся примером варианте осуществления уплотняющие компоненты могут включать в себя резьбовые соединения, такие как обычное соединение муфты с ниппелем.

Способ, последовательно показанный на фиг.1A-G, можно использовать для отбора секции бурильной колонны или другого трубного элемента (например, трубного элемента 105) из трубного стеллажа, другой структуры хранения, грузоподъемного инструмента и/или другой структуры, и установки затем звена в бурильную колонну или другую колонну трубных элементов. Вместе с тем, способ, последовательно показанный на фиг.1A-G, можно также реверсировать для удаления трубного элемента из колонны и, например, установки удаленного трубного элемента на трубный стеллаж и/или другую структуру.

Во время выполнения таких способов инструмент 110 для спускоподъемных операций можно приводить в действие для соединения с трубными элементами, устанавливаемыми в бурильную колонну или удаляемыми из нее. На фиг.2 показано сечение, по меньшей мере, участка, являющегося примером варианта осуществления инструмента 110 для спускоподъемных операций согласно одному или нескольким аспектам настоящего изобретения. Инструмент 110 для спускоподъемных операций включает в себя элемент 210 с выемками, элемент 220 со щелями или иначе перфорированный и множество перекатывающихся элементов 230.

Трубный элемент 105 может не быть одинаковым по размерам или иначе идеальным. То есть трубный элемент 105 может не быть правильным цилиндром круглого сечения, так что все точки на внешней поверхности трубного элемента в некотором осевом положении могут не образовывать правильной окружности. Альтернативно или дополнительно, трубный элемент 105 может не являться правильным цилиндром, так что все точки внешней поверхности могут не находиться на равном расстоянии от продольной оси 202 инструмента 110 для спускоподъемных операций, и/или трубный элемент 105 может не иметь идеальной соосности, так что оси всех элементов сечения внешней поверхности могут не совпадать с продольной осью 202.

Элемент 210 с выемками может быть, по существу, цилиндрическим или представлять собой элемент другой формы с множеством выемок 214, выполненных в нем. Перфорированный элемент 220, обычно щелевой, но не ограниченный такой конфигурацией, может представлять собой или включать в себя, по существу, цилиндрический или другой формы кольцевой пространственный элемент с множеством щелей (или отверстий другой формы) 222, выполненных в нем. Каждая щель 222 выполнена с возможностью взаимодействия с одной из выемок 214 элемента 210 с выемками для удержания одного из перекатывающихся элементов 230. Каждая выемка 214 и щель 222 выполнены так, что когда перекатывающийся элемент 230 перемещается дополнительно от максимальной глубины 214a выемки 214, перекатывающийся элемент 230 выступает дополнительно через щель 222 и за периметр 224 элемента 220 со щелями, и когда перекатывающийся элемент 230 перемещается к максимальной глубине 214a выемки 214, перекатывающийся элемент 230 также перемещается к убранному положению во внутреннем периметре 224 элемента 220 со щелями.

Каждая щель 222 может иметь овальный или другой удлиненный профиль, так что каждая щель 222 имеет длину больше ширины. Длина щели 222 находится в направлении продольной оси 202 инструмента 110 для спускоподъемных операций. Стенки каждой щели 222 могут сужаться на конус радиально внутрь.

Каждая выемка 214 может иметь ширину (нормально листу фиг.2), по меньшей мере, приблизительно равную или незначительно больше ширины или диаметра каждого перекатывающегося элемента 230. Каждая выемка 214 может также иметь длину больше минимальной длины щели 222. Ширина или диаметр перекатывающегося элемента 230, по меньшей мере, превышает ширину внутреннего профиля щели 222.

Поскольку каждая щель 222 является удлиненной в направлении конусного сужения выемок 214, каждый перекатывающийся элемент 230 может выступать из элемента 220 со щелями на независимую величину на основе параметров размеров находящегося вблизи трубного элемента 105. Например, если внешний диаметр трубного элемента 105 меньше вблизи конца 105а трубного элемента 105, перекатывающийся элемент 230, ближе всего расположенный к концу 105a трубного элемента 105, выступает из элемента 220 со щелями на большее расстояние, чем выступает из элемента 220 со щелями перекатывающийся элемент 230, ближе всего расположенный к центральному участку трубного элемента 105.

Каждый из перекатывающихся элементов 230 может представлять собой или включать в себя по существу сферический элемент, такой как стальная шаровая опора. Другие материалы и формы также входят в объем настоящего изобретения. Например, каждый из перекатывающихся элементов 230 может альтернативно являться цилиндрическим или коническим валиком, выполненным с возможностью перекатываться вверх и вниз по рампам, образованным выемками 214.

На фиг.3A показана часть сечения устройства 100 фиг.1A-G, включающая в себя вариант осуществления инструмента 110 для спускоподъемных операций, показанного на фиг.2. На фиг.3A показано устройство 100, включающее в себя инструмент 110 для спускоподъемных операций с трубными элементами, подъемник 120 для трубных элементов и компоновку 130 отклоняющихся штроп подъемника фиг.1A-G. На фиг.3A дополнительно показан элемент 210 с выемками и перекатывающиеся элементы 230 варианта осуществления инструмента 110 для спускоподъемных операций, показанного на фиг.2. Вариант осуществления устройства 100, показанный на фиг.3A, вместе с тем, может включать в себя дополнительные компоненты, которые не показаны для ясности, но, необходимо понимать, также существуют.

Кроме того на фиг.3A также показано, что инструмент 110 для спускоподъемных операций может включать в себя механизм 310 предварительного нагружения. Механизм 310 предварительного нагружения выполнен с возможностью приложения осевой силы к концу 105a трубного элемента 105 после вставления трубного элемента 105 на достаточное расстояние в инструмент 110 для спускоподъемных операций. Например, в показанном варианте осуществления механизм 310 предварительного нагружения включает в себя блок 315 стыковки с трубным элементом, исполнительный механизм 320 и блок 325 стыковки с инструментом спуска. Блок 315 стыковки с трубным элементом может представлять собой или включать в себя плиту и/или другую структуру, выполненную с возможностью передачи осевой нагрузки, прикладываемой исполнительным механизмом 320 к концу 105a трубного элемента 105. Исполнительный механизм 320 может представлять собой или включать в себя цилиндр линейного привода с гидравлическим, электрическим, механическим, пневматическим или комбинированным управлением, или их комбинацией. Блок 325 стыковки с инструментом спуска может представлять собой или включать в себя резьбовой шнеллер, шток и/или другое средство соединения исполнительного механизма 320 с внутренней структурой инструмента 110 для спускоподъемных операций.

В конфигурации, показанной на фиг.3A, трубный элемент 105 соединен с подъемником 120 и затем сориентирован, по существу, с осевым совмещением под инструментом 110 для спускоподъемных операций. Трубный элемент 105 может иметь отметку 105d, указывающую минимальное смещение, требуемое между концом 105a и продольным положением, в котором трубный элемент 105 соединяется с подъемником 120.

После получения осевого совмещения, показанного на фиг.3A, компоновку 130 отклоняющихся штроп подъемника можно привести в действие для начала вставления трубного элемента 105 в инструмент 110 для спускоподъемных операций, как показано на фиг.3B. При входе трубного элемента 105 в инструмент 110 для спускоподъемных операций перекатывающиеся элементы 230 скользят и/или катятся по внешнему периметру трубного элемента 105, при этом прикладывая очень малое направленное радиально внутрь усилие к трубному элементу 105. (Альтернативно, вставные элементы 210 могут быть втянуты так, что не касаются трубного элемента 105). Процесс продолжается, пока конец 105a трубного элемента 105 не встанет вблизи или не упрется в блок 315 стыковки с трубным элементом механизма 310 предварительного нагружения.

Затем, как показано на фиг.3C, элементы 210 перемещаются радиально по направлению внутрь так, что перекатывающиеся элементы 230 входят в контакт с поверхностью трубного элемента 105, и исполнительный механизм 320 механизма 310 предварительного нагружения приводится в действие для приложения осевого усилия, направленного вниз к концу 105a трубного элемента 105. Данное усилие, направленное вниз, жестко соединяет перекатывающие элементы 230 с внешним периметром трубного элемента 105. Соответственно, трубный элемент 105 жестко соединяется с инструментом 110 для спускоподъемных операций, и данное соединение обусловлено не только весом трубного элемента 105, но также осевым усилием, приложенным механизмом 310 предварительного нагружения.

Затем, как показано на фиг.3D, инструмент 110 для спускоподъемных операций можно вращать, при этом вращая трубный элемент 105. То есть, крутящий момент, приложенный к инструменту 110 для спускоподъемных операций (например, верхним приводом, соединенным напрямую или ненапрямую с инструментом 110 для спускоподъемных операций), передается на трубный элемент через перекатывающиеся элементы 230, помимо других компонентов инструмента 110 для спускоподъемных операций. Во время такого вращения подъемник 120 может быть отсоединен от трубного элемента 105, так что весь вес трубного элемента 105 несет инструмент 110 для спускоподъемных операций (или также вес бурильной колонны, прикрепленной к трубному элементу 105).

Для удаления присоединенного трубного элемента 105 из инструмента 110 для спускоподъемных операций компоновку 100 инструмента и трубный элемент 105 высвобождают из клинового захвата 102 на буровом полу, и затем шток исполнительного механизма 320 механизма 310 предварительного нагружения втягивается, снимая осевое усилие с конца 105a трубного элемента 105. Щелевой элемент инструмента для спускоподъемных операций (показан на фиг.2, но не показан на фиг.3A-D) может также поступательно перемещаться вверх одним или несколькими исполнительными механизмами, соединенными с ним, так что перекатывающие элементы 230 могут высвобождаться с отсоединением от трубного элемента 105. Компоновку 100 инструмента и трубного элемента 105 затем опускают в необходимое положение, клинья 102 на буровом полу закрепляют, перекатывающие элементы 230 отсоединяют и вставки 210 втягивают для обеспечения перемещения инструмента 100 вверх, с освобождением его от увеличенного элемента 105a.

На фиг.4 на схеме устройства 400 показано несколько аспектов настоящего изобретения. Устройство 400 показывает пример оборудования, в котором устройство 100, показанное на фиг.1A-G, 2 и 3A-D, и/или другое устройство в объеме настоящего изобретения можно реализовать. Устройство 400 является или включает в себя сухопутную буровую установку. Вместе с тем, один или несколько аспектов настоящего изобретения можно применить или легко приспособить к любым типам буровых установок, таким как самоподъемные буровые установки, полупогружные буровые установки, буровые суда, буровые установки с гибкой насосно-компрессорной трубой и установки для бурения на обсадной колонне и другим.

Устройство 400 включает в себя вышку 405, несущую грузоподъемное оборудование над буровым полом 410. Грузоподъемное оборудование включает в себя кронблок 415 и талевый блок 420. Кронблок 415 соединен сверху с вышкой 405, и талевый блок 420 подвешен на кронблоке 415 на буровом канате 425. Буровой канат 425 проходит с грузоподъемного оборудования на буровую лебедку 430, выполненную с возможностью вытравливания и выбирания бурового каната 425, обуславливающего спуск и подъем талевого блока 420 относительно бурового пола 410.

Крюк 435 прикреплен снизу к талевому блоку 420. Верхний привод 440 подвешен на крюке 435. Шпиндель 445, выходящий из верхнего привода 440, прикреплен к предохранительному переводнику 450, который прикреплен к устройству 452 для подъема трубного инструмента. Устройство 452 для подъема трубного инструмента, по существу, является аналогичным устройству 100, показанному на фиг.1A-G и 3A-D, среди прочего, относящемуся к объему настоящего изобретения. Как описано выше и показано на фиг.1A-G и 3A-D, устройство 452 для подъема трубного инструмента может соединяться непосредственно с верхним приводом 440 или шпинделем 445, при этом предохранительный переводник 450 может быть исключен.

Устройство 452 для подъема трубного инструмента соединяется с бурильной колонной 455, подвешенной в стволе 460 скважины и/или над ним. Бурильная колонна 455 может включать в себя одну или несколько соединенных между собой свечей из бурильных труб 465 среди других компонентов. Один или несколько насосов 480 могут подавать буровой раствор в бурильную колонну 455 через шланг или другой напорный трубопровод 485, который может быть соединен с верхним приводом 440.

Устройство 400 может дополнительно включать в себя контроллер 490, выполненный с возможностью осуществления проводной или беспроводной связи с буровой лебедкой 430, верхним приводом 440 и/или насосами 480. Различные датчики, установленные в устройстве 400, могут также поддерживать проводную или беспроводную связь с контроллером 490. Контроллер 490 может дополнительно поддерживать связь с инструментом 110 для спускоподъемных операций, подъемником 120, исполнительными механизмами 150 и исполнительными механизмами 160 устройства 100, показанного на фиг.1A-G и 3A-D. Например, контроллер 490 может быть выполнен, по существу, для автоматизации работы подъемника 120, исполнительных механизмов 150 и исполнительных механизмов 160 на этапе соединения подъемника 120 и трубного элемента 105. Контроллер 490 может также быть выполнен, по существу, для автоматизации работы инструмента 110 для спускоподъемных операций, подъемника 120, исполнительных механизмов 150 и исполнительных механизмов 160 на этапе соединения инструмента 110 для спускоподъемных операций и трубного элемента 105.

На фиг.5A показана блок-схема последовательности, по меньшей мере, части операций способа 500 согласно одному или нескольким аспектам настоящего изобретения. Способ 500 может являться, по существу, аналогичным способу выполнения операций, показанному на фиг.1A-G и 3A-D, и/или может включать в себя альтернативные или выполняемые, если необходимо, этапы по отношению к этапам способа фиг.1A-G и 3A-D. В системе 400 на фиг.4 показано являющееся примером оборудование, на котором способ 500 можно реализовать. Например, способ 500 включает в себя этап 505, во время которого инструмент для спускоподъемных операций с трубными элементами опускают относительно буровой установки, и компоновку отклоняющихся штроп подъемника поворачивают от своего вертикального положения. Дополнительную установку инструмента для спускоподъемных операций с трубными элементами и компоновку отклоняющихся штроп подъемника можно выполнить для адекватной установки подъемника в компоновке отклоняющихся штроп подъемника относительно трубного элемента так, что подъемник можно приводить в действие для соединения с трубным элементом в следующем этапе 510. После этого инструмент для спускоподъемных операций с трубными элементами поднимают, и компоновку отклоняющихся штроп подъемника и трубчатый элемент поворачивают в вертикальное положение или к такому положению, по существу, соосности инструмента для спускоподъемных операций с трубными элементами на этапе 515.

Инструмент для спускоподъемных операций с трубными элементами затем опускают на этапе 520 так, что трубчатый элемент заводится в часть колонны над буровым полом (существующей колонны труб, подвешенной в стволе скважины на клиновом захвате в буровом полу и выступающей на небольшое расстояние над буровым полом). В следующем этапе 525 инструмент для спускоподъемных операций с трубными элементами дополнительно опускают для соединения верхнего конца трубного элемента с захватывающим механизмом в инструменте для спускоподъемных операций с трубными элементами. Затем на этапе 530, выполняемом, если необходимо, предварительную нагрузку и/или другое усилие можно прикладывать к трубному элементу, устанавливающие в рабочее положение захватывающий механизм в инструменте для спускоподъемных операций с трубными элементами, с прочным соединением при этом трубного элемента с захватывающим механизмом. Инструмент для спускоподъемных операций с трубными элементами можно затем вращать на этапе 535 для скрепления соединения трубного элемента и части колонны над буровым полом.

Способ 500 можно затем продолжить на этапе 540, где инструмент для спускоподъемных операций с трубными элементами поднимают на короткое расстояние для высвобождения клинового захвата в буровом полу и затем опускают для установки трубного элемента в положение новой части колонны над буровым полом. На следующем этапе 545 захватывающий механизм инструмента для спускоподъемных операций с трубными элементами можно отсоединить для отсоединения трубного элемента, и инструмент для спускоподъемных операций с трубными элементами можно поднимать для подготовки к следующему повторному выполнению способа 500.

На фиг.5B показана блок-схема последовательности операций, по меньшей мере, части способа 550 согласно одному или нескольким аспектам настоящего изобретения. Способ 550 может, по существу, являться аналогичным способу, показанному на фиг.1A-G, 3A-D и 5A, и/или может включать в себя альтернативные или не являющиеся обязательными этапы по отношению к способу, показанному на фиг.1A-G, 3A-D и 5A. Например, способ 550 можно выполнять с наращиванием одного или нескольких трубных элементов (однотрубок, двухтрубок или трехтрубок) на существующую бурильную колонну, подвешенную в стволе скважины. В системе 400 на фиг.4 показано являющееся примером оборудование, на котором способ 550 можно реализовать.

Способ 550 включает в себя этап 552, на котором верхний привод опускают, исполнительный механизм отклонения штроп подъемника выдвигают, исполнительный механизм нагружения отклоняющихся штроп подъемника выдвигают и подъемник открывают. Два или несколько данных действий можно выполнять, по существу, одновременно или альтернативно, этап 552 может включать в себя выполнение данных действий последовательно, хотя конкретная последовательность или порядок данных действий на этапе 552 может изменяться в объеме настоящего изобретения. Действия на этапе 552 выполняют для ориентирования подъемника относительно трубного элемента, устанавливаемого в бурильную колонну, так, что подъемник можно затем соединить с трубным элементом.

Верхний привод может представлять собой или включать в себя вращательный привод, поддерживаемый над буровым полом, такой как вращательный привод 440, показанный на фиг.4. Исполнительный механизм отклонения штроп подъемника включает в себя один или несколько компонентов, отклоняющих исполнительный механизм нагружения отклоняющихся штроп подъемника и подъемник от вертикального совмещения с верхним приводом, таких как исполнительные механизмы 160, показанные на фиг.1A-G. Исполнительный механизм нагружения отклоняющихся штроп подъемника включает в себя один или несколько компонентов, регулирующих вертикальное положение подъемника относительно верхнего привода, таких как исполнительные механизмы 150, показанные на фиг.1A-G. Подъемник может представлять собой или включать в себя захватывающий элемент, выполненный с возможностью соединения с трубчатым элементом, наращиваемым на бурильную колонну, такой как подъемник 120 для трубных элементов, показанных на фиг.1A-G и 3A-D.

После ориентирования подъемника относительно нового трубного элемента посредством работы верхнего привода, исполнительного механизма отклонения штроп и исполнительного механизма нагружения отклоняющихся штроп подъемника, полученного при выполнении этапа 552, выполняют этап 554, закрывая подъемник или иначе соединяя новый трубчатый элемент с подъемником.

После этого выполняют этап 556, на котором верхний привод поднимают, и исполнительный механизм отклонения штроп подъемника втягивают. Действия подъема верхнего привода и втягивания исполнительного механизма отклонения штроп можно выполнять, по существу, одновременно или последовательно в любом порядке. Верхний привод поднимают на достаточную высоту, так что нижний конец нового трубного элемента устанавливают выше части колонны над буровым полом, и втягивание исполнительного механизма отклонения штроп приводит новый трубчатый элемент к вертикальному совмещению по оси между выступающей из бурового пола частью колонны и верхним приводом.

На следующем этапе 558 втягивают исполнительный механизм инструмента для спускоподъемных операций. Исполнительный механизм инструмента для спускоподъемных операций может представлять собой или включать в себя цилиндр линейного привода с гидравлическим, электрическим, механическим, пневматическим или комбинированным управлением, или комбинацию таких цилиндров. Исполнительный механизм инструмента для спускоподъемных операций соединяется с участком инструмента для спускоподъемных операций, так что инструмент для спускоподъемных операций может захватить трубчатый элемент, когда исполнительный механизм инструмента для спускоподъемных операций выдвинут, но захват трубного элемента исключен, когда исполнительный механизм инструмента для спускоподъемных операций втянут.

Затем втягивают исполнительный механизм нагружения отклоняющихся штроп подъемника на этапе 560, так что конец трубного элемента вставляется в инструмент для спускоподъемных операций. На следующем этапе 562 исполнительный механизм инструмента для спускоподъемных операций выдвигают, при этом обеспечивая захват инструментом для спускоподъемных операций трубного элемента. Способ 550 также включает в себя этап 564, на котором исполнительный механизм предварительного нагружения выдвигают для приложения осевого усилия к концу трубного элемента, и, таким образом, приложением усилия вызывая соединение трубного элемента с инструментом для спускоподъемных операций.

Исполнительный механизм предварительного нагружения включает в себя один или несколько компонентов, выполненных с возможностью приложения осевого усилия к концу трубного элемента в инструменте для спускоподъемных операций, таких как исполнительный механизм 320 и/или механизм 310 предварительного нагружения, показанные на фиг.3A-D. Способ 550 может также включать в себя этап 566, на котором подъемник можно открыть, так что трубчатый элемент удерживается только соединением с инструментом для спускоподъемных операций. Вместе с тем, данное действие открытия подъемника можно выполнять на другом этапе способа 550 или вообще не выполнять.

На следующем этапе 568 инструмент для спускоподъемных операций вращают так, что скрепляется соединение между новым трубным элементом и частью колонны над буровым полом, в настоящем примере такое вращение совершают вращающей силой верхнего привода. Вместе с тем, другие средства вращения инструмента для спускоподъемных операций также входят в объем настоящего изобретения.

После скрепления соединения при выполнении этапа 568 клиновой захват в буровом полу высвобождают на этапе 570. Затем верхний привод вначале поднимают на этапе 571 для полного отсоединения части колонны над буровым полом из клинового захвата в буровом полу и затем опускают на этапе 572 для поступательного перемещения нового присоединенного трубного элемента в ствол скважины так, что только концевой участок нового трубного элемента выступает из бурового пола, образуя новую часть колонны над буровым полом. Клиновой захват в буровом полу затем повторно устанавливают в рабочее положение для соединения с новой выступающей из бурового пола частью колонны на следующем этапе 574.

После этого исполнительный механизм предварительного нагружения втягивают на этапе 576, и исполнительный механизм инструмента для спускоподъемных операций втягивают на этапе 578, так что новый трубчатый элемент (теперь часть колонны над буровым полом) соединен только с клиновым захватом в буровом полу и не соединен ни с какой частью инструмента для спускоподъемных операций или подъемника. Теперь верхний привод свободен для подъема на следующем этапе 580. Как показано на фиг.5B, способ 500 можно затем повторить для соединения другого трубного элемента с новой частью колонны над буровым полом.

На фиг.5C показана блок-схема последовательности операций, по меньшей мере, части способа 600 согласно одному или нескольким аспектам настоящего изобретения. Способ 600 может являться, по существу, аналогичным реверсивному варианту осуществления способа работы, показанного на фиг.1A-G, 3A-D и 5A-B, и/или может включать в себя альтернативные или используемые, если необходимо, этапы по отношению к способу, показанному на фиг.1A-G, 3A-D и 5A-B. Например, способ 600 можно выполнять для удаления одного или нескольких трубных элементов (однотрубок, двухтрубок или трехтрубок) из существующей бурильной колонны, подвешенной в стволе скважины. В системе 400 на фиг.4 показано являющееся примером оборудование, на котором способ 600 можно реализовать.

Способ 600 включает в себя этап 602, на котором подъемник открывают, исполнительный механизм отклонения штроп подъемника втягивают, исполнительный механизм нагружения отклоняющихся штроп подъемника втягивают, исполнительный механизм предварительного нагружения втягивают, исполнительный механизм инструмента для спускоподъемных операций втягивают и верхний привод поднимают. Два или более данных действий можно выполнить по существу одновременно, или этап 602 может включать в себя последовательное выполнение данных действий, хотя конкретная последовательность или порядок данных действий на этапе 602 могут меняться в объеме настоящего изобретения. Действия на этапе 602 выполняют с возможностью ориентирования подъемника и инструмента для спускоподъемных операций относительно конца трубного элемента, выступающего над буровым полом, удаляемого из бурильной колонны так, что инструмент для спускоподъемных операций можно затем соединять с трубным элементом.

После этого на этапе 604 верхний привод опускают на часть колонны над буровым полом так, что часть колонны над буровым полом вставляют в инструмент для спускоподъемных операций. Затем выдвигают исполнительный механизм инструмента для спускоподъемных операций на этапе 606 и затем выдвигают исполнительный механизм предварительного нагружения на этапе 608. Затем часть колонны над буровым полом соединяют с инструментом для спускоподъемных операций. Затем высвобождают клиновой захват в буровом полу на этапе 610 и затем поднимают верхний привод на этапе 612 так, что удаляемый из бурильной колонны трубчатый элемент поднимают на всю длину над буровым полом и конец следующего трубного элемента в бурильной колонне выступает из ствола скважины. Клиновой захват в буровом полу затем повторно ставят в рабочее положение для соединения со следующим трубным элементом на этапе 614. На следующем этапе 616 инструмент для спускоподъемных операций вращают для открепления соединения между удаляемым трубным элементом и следующим трубным элементом, который должен образовать новую часть колонны над буровым полом. После раскрепления соединения верхний привод поднимают на этапе 618, при этом поднимая трубчатый элемент от новой части колонны над буровым полом.

После этого на этапе 620 подъемник закрывают для соединения с удаленным трубным элементом, который все еще соединен с инструментом для спускоподъемных операций. Затем втягивают исполнительный механизм предварительного нагружения на этапе 622, и затем втягивают исполнительный механизм нагружения отклоняющихся штроп подъемника на этапе 624 для отсоединения трубного элемента от инструмента для спускоподъемных операций, при этом элемент все еще соединен с подъемником.

Затем выдвигают исполнительный механизм нагружения отклоняющихся штроп подъемника на этапе 626. Поскольку трубчатый элемент больше не соединен с инструментом для спускоподъемных операций, выдвижение исполнительного механизма нагружения отклоняющихся штроп подъемника на этапе 626 вытягивает трубчатый элемент из инструмента для спускоподъемных операций. Вместе с тем, этап 626 может включать в себя или продолжаться процессом полного отсоединения инструмента для спускоподъемных операций от трубного элемента, таким как опускание верхнего привода для установки без нагрузки удаленного трубного элемента на часть колонны над буровым полом или предохранительную плиту, установленную на часть колонны над буровым полом, после чего верхний привод вновь поднимают так, что удаленный трубный элемент по вертикали уходит от части колонны над буровым полом.

После этого исполнительный механизм отклонения штроп подъемника выдвигают на этапе 628 для отклонения удаленного трубного элемента (теперь соединенного с подъемником) от вертикального совмещения по оси с верхним приводом. Верхний привод затем опускают на этапе 630. Этапы 628 и/или 630 можно выполнять для ориентирования удаленного трубного элемента относительно трубного стеллажа или другой структуры или механизма, на котором трубчатый элемент должен размещаться после открытия подъемника. Способ 600 может включать в себя дополнительный этап, во время которого подъемник открывают после адекватного размещения трубного элемента. Альтернативно, можно повторно выполнять способ 600 так, что удаленный трубчатый элемент размещается на трубном стеллаже или другой структуре или механизме, когда подъемник открывают во время повторного выполнения этапа 602. Как показано на фиг.5C, способ 600 можно повторять для удаления дополнительных трубных элементов из бурильной колонны.

На фиг.6 показан в изометрии разобранный, по меньшей мере, участок примера варианта осуществления захватывающего механизма инструмента 110 для спускоподъемных операций с трубными элементами, показанного на фиг.1A-G, 2 и 3A-D, в данном документе обозначенный позицией 700. Один или несколько аспектов захватывающего механизма 700 являются, по существу, аналогичными или идентичными одному или нескольким соответствующим аспектам захватывающего механизма инструмента 110 для спускоподъемных операций с трубными элементами, показанного на фиг.1A-G, 2 и 3A-D. В являющемся примером варианте осуществления устройство 700, показанное на фиг.6, является, по существу, идентичным, по меньшей мере, части инструмента 110 для спускоподъемных операций с трубными элементами, показанного на фиг.1A-G, 2 и/или 3A-D.

Устройство 700 включает в себя элемент 710 с выемками, перфорированный элемент 720, отверстия которого можно выполнить круглыми или удлиненными, и множество перекатывающихся элементов 730. Один или несколько аспектов элемента 710 с выемками являются, по существу, аналогичными или идентичными одному или нескольким соответствующим аспектам элемента 210 с выемками, показанного на фиг.2. Один или несколько аспектов перфорированного элемента 720 являются, по существу, аналогичными или идентичными одному или нескольким соответствующим аспектам элемента 220 со щелями, показанного на фиг.2. Перекатывающиеся элементы 730 могут являться, по существу, идентичными перекатывающимся элементам 230, показанным на фиг.2.

Как показано на фиг.6, элемент 710 с выемками и щелевой элемент 720, каждый включает в себя три дискретных секции 710a, 720a, соответственно. Устройство 700 также включает в себя в данном варианте осуществления держатель 740, который также включает в себя три дискретных секции 740a. Другие функционально эквивалентные конфигурации могут объединять секции 740a и 710c для создания интегрального элемента. Каждая секция 740a держателя может включать в себя фланец 745, выполненный с возможностью соединения с фланцем 745 другой секции 740a держателя, так что секции 740a держателя можно собирать с образованием чашеобразной структуры (держателя 740), выполненной с возможностью удержания секции 710a элемента 710 с выемками, секции 720a щелевого элемента 720 и перекатывающихся элементов 730.

На фиг.7A и 7B показаны изометрические виды устройства 700 фиг.6 в положениях соединения и отсоединения, соответственно. На фиг.7A и 7B, а также на фиг.6 показано, что устройство 700 может включать в себя многочисленные секции 700a, поставленные вертикально друг на друга. В являющемся примером варианте осуществления, показанном на фиг.7A и 7B, устройство 700 включает в себя четыре поставленные вертикально друг на друга секции 700a. В других вариантах осуществления, вместе с тем, устройство 700 может включать в себя меньше или больше секций. Зажимающая сила, прикладываемая устройством 700 к трубному элементу, по меньшей мере, частично пропорциональна числу установленных по вертикали секций 700a, так что увеличение числа установленных по вертикали секций 700a увеличивает грузоподъемность устройства 700, а также крутящий момент, который можно прикладывать к трубному элементу устройством 700. Каждая из установленных по вертикали секций 700a может являться, по существу, аналогичной или идентичной, хотя верхняя и нижняя секции 700a могут иметь индивидуальные стыковочные устройства для соединения с дополнительным оборудованием между верхним приводом и колонной обсадных труб.

Внешний профиль каждого держателя 740 сужается на конус, так что нижний конец каждого держателя 740 имеет диаметр меньше диаметра верхнего конца. Каждая установленная по вертикали секция 700a устройства 700 также включает в себя корпус 750 с внутренним профилем, выполненным с возможностью взаимодействия с внешним профилем держателя 740 так, что когда держатель 740 перемещается вниз (относительно корпуса 750) к положению соединения (фиг.7A), держатель 740 сужается радиально внутрь, а когда держатель 740 перемещается вверх к положению отсоединения (фиг.7B), держатель 740 расширяется радиально наружу.

Верхняя секция 700a устройства 700 может включать в себя стыковочное устройство 760, выполненное с возможностью соединения с одним или несколькими гидроцилиндрами и/или другими исполнительными механизмами (не показано). Кроме того, каждый держатель 740 соединен с верхним и нижним соседними держателями 740. Следовательно, вертикальное перемещение, создаваемое одним или несколькими исполнительными механизмами, соединенными со стыковочным устройством 760, дает в результате одновременное вертикальное перемещение всех держателей 740. Соответственно, перемещение вниз держателей 740 с приводом от одного или нескольких исполнительных механизмов обуславливает соединение перекатывающихся элементов 730 с внешней поверхностью трубного элемента, а перемещение вверх держателей 740 с приводом от одного или нескольких исполнительных механизмов обуславливает отсоединение перекатывающихся элементов 730 от трубного элемента. Сила, прикладываемая одним или несколькими исполнительными механизмами для привода перемещения вниз держателей 740 для соединения с помощью перекатывающихся элементов 730 с трубным элементом, является одним примером предварительного нагружения или другой силой, описанной выше для этапа 530 способа 500, показанного на фиг.5A, этапа 564, показанного на фиг.5B, и/или этапа 608, показанного на фиг.5C.

При рассмотрении изложенного выше и примеров вариантов осуществления, показанных на фиг.1A-G, 2, 3A-D, 4, 5A-C, 6, 7A и 7B, должно быть ясно, что настоящим изобретением предложено устройство для работы с трубными элементами, содержащее: инструмент для спускоподъемных операций с трубными элементами; подъемник для трубных элементов, множество первых исполнительных механизмов, каждый из которых проходит между инструментом для спускоподъемных операций и подъемником, и множество вторых исполнительных механизмов, каждый из которых проходит между инструментом для спускоподъемных операций и соответствующим одним из первых исполнительных механизмов, при этом каждый из первых и вторых исполнительных механизмов имеет гидравлическое или электрическое управление. Инструмент для спускоподъемных операций включает в себя щелевой или перфорированный элемент, имеющий множество отверстий, которые могут представлять собой удлиненные щели, проходящие в некотором направлении, элемент с выемками, соединенный с щелевым элементом подъемника с возможностью скольжения относительно него и имеющий множество выемок, каждая из которых сужается на конус в направлении от мелкого конца к глубокому концу, и множество перекатывающихся элементов, каждый из которых удерживается между одной из множества выемок и одной из множества удлиненных щелей. Каждый из множества перекатывающихся элементов частично выступает через примыкающую одну из множества удлиненных щелей, когда расположен в мелком конце соответствующей одной из множества выемок и втянут внутрь внешнего периметра щелевого элемента, когда расположен в глубоком конце соответствующей одной из множества выемок.

Подъемник может включать в себя щелевой элемент подъемника, имеющий множество отверстий, которые могут представлять собой удлиненные щели, проходящие в некотором направлении, элемент подъемника с выемками, соединенный с щелевым элементом подъемника с возможностью скольжения относительно него и имеющий множество выемок, каждая из которых сужается на конус в направлении от мелкого конца к глубокому концу, и множество перекатывающихся элементов подъемника, каждый из которых удерживается между одной из множества выемок и одной из множества удлиненных щелей. Каждый из множества перекатывающихся элементов подъемника частично выступает через примыкающую одну из множества удлиненных щелей, когда расположен в мелком конце соответствующей одной из множества выемок, и втянут внутрь внешнего периметра щелевого элемента подъемника, когда расположен в глубоком конце соответствующей одной из множества выемок.

Инструмент для спускоподъемных операций может быть приспособлен для соединения с внешней поверхностью трубного элемента с силами трения, достаточными для приложения крутящего момента к трубному элементу. В примере варианта осуществления крутящий момент составляет, по меньшей мере, около 6780 Нм (5000 фут.фунт). В другом примере варианта осуществления крутящий момент составляет, по меньшей мере, около 67800 Нм (50000 фут.фунт).

Каждый первый исполнительный механизм может включать в себя первый цилиндр, имеющий первый конец и второй конец, при этом первый конец поворотно соединен с первой точкой прикрепления инструмента для спускоподъемных операций, и первый шток проходит от второго конца и поворотно соединен с подъемником. Каждый второй исполнительный механизм может включать в себя второй цилиндр, имеющий первый конец и второй конец, при этом первый конец второго цилиндра поворотно соединен со второй точкой прикрепления инструмента для спускоподъемных операций, и второй шток проходит от второго конца второго цилиндра и поворотно соединен с первым цилиндром. Трубчатый элемент можно выбирать из группы, состоящей из следующего: элемент обсадной колонны ствола скважины, трубный элемент бурильной колонны, трубчатый элемент и элемент колонны насосно-компрессорной трубы, снабженный муфтой. Инструмент для спускоподъемных операций можно выполнить для соединения силами трения с трубным элементом, в котором участок инструмента для спускоподъемных операций образует гидравлическое уплотнение с концом трубного элемента, когда инструмент для спускоподъемных операций соединяют с трубным элементом.

Устройство может дополнительно включать в себя контроллер, связанный с инструментом для спускоподъемных операций, подъемником и первым и вторым исполнительным механизмом. Контроллер можно выполнить для, по существу, автоматизации работы подъемника и первых и вторых исполнительных механизмов при соединении подъемника и трубного элемента. При этом автоматизация может включать в себя, не ограничиваясь этим, подсчет оборотов, измерение и приложение крутящего момента и управление частотой оборотов устройства среди других возможных аспектов автоматизации. Подъемник можно приспособить для соединения с внешней поверхностью промежуточного аксиального участка трубного элемента. Инструмент для спускоподъемных операций можно выполнить для соединения с внешней поверхностью другого промежуточного аксиального участка трубного элемента.

Настоящим изобретением также предложен способ манипуляций трубными элементами, включающий в себя соединение внешней поверхности промежуточного аксиального участка трубного элемента с подъемником для трубных элементов и приведение в действие совокупности элементов штропов, проходящих между подъемником и инструментом для спускоподъемных операций с трубными элементами для установки конца трубного элемента в инструмент для спускоподъемных операций. Способ дополнительно включает в себя соединение внешней поверхности другого участка трубного элемента с инструментом для спускоподъемных операций, включающее в себя приложение осевого усилия к концу трубного элемента в инструменте для спускоподъемных операций. Приложение осевого усилия к концу трубного элемента может включать в себя приведение в действие гидроцилиндра или другого гидравлического или электрического устройства для перемещения элемента с выемками захватывающего механизма относительно корпуса захватывающего механизма, обуславливающего соединение каждого из множества перекатывающихся элементов захватывающего механизма с трубным элементом.

Способ может дополнительно включать в себя отсоединение подъемника для трубных элементов от трубного элемента и отсоединение инструмента для спускоподъемных операций от трубного элемента. Отсоединение инструмента для спускоподъемных операций от трубного элемента может включать в себя снятие осевого усилия, приложенного к концу трубного элемента в инструменте для спускоподъемных операций. Способ может дополнительно включать в себя вращение трубного элемента посредством вращения инструмента для спускоподъемных операций, когда трубный элемент соединен с инструментом для спускоподъемных операций, включающее в себя приложение крутящего усилия к трубному элементу, при этом крутящее усилие составляет не менее около 6780 Нм (5000 фут.фунт).

Настоящим изобретением также создано устройство для манипуляции трубными элементами, содержащее: средство соединения с внешней поверхностью промежуточного аксиального участка трубного элемента, средство установки средства соединения для установки конца присоединенного трубного элемента в инструмент для спускоподъемных операций и средство приложения осевого усилия к концу трубного элемента в инструменте для спускоподъемных операций для соединения внешней поверхности другого участка трубного элемента с инструментом для спускоподъемных операций.

Способность захвата трубного элемента на месте, удаленном от конца (т.е., на промежуточном участке, определенном пределом захвата), объединенная с возможностью подъема трубного элемента без повреждения и последующего введения трубного элемента в инструмент манипуляции трубами, все без ручного труда или с минимальным его применением для работы с трубным элементом, является новым и удовлетворяет давние потребности в отрасли. Один или несколько аспектов настоящего изобретения могут улучшать методики захвата, которые могут обеспечивать подъемнику захват и подъем или опускание трубного элемента без повреждения его чувствительной внешней поверхности. Один или несколько аспектов настоящего изобретения могут также существенно улучшать показатель времени, требуемого для наращивания каждого нового трубного элемента в колонне в стволе скважины, что можно получить вследствие уменьшения времени технологической операции, требовавшегося ранее для работы с каждым трубным элементом и скрепления соединений. Вместе с тем, другие выгоды и преимущества могут также находиться в объеме настоящего изобретения.

Выше изложены признаки нескольких вариантов осуществления для лучшего понимания специалистами в данной области техники аспектов настоящего изобретения. Таким специалистам должно быть ясно, что можно использовать настоящее изобретение как основу других способов и структур и для их модификации для осуществления аналогичных целей и/или получения аналогичных преимуществ. Такие специалисты также должны понимать, что такие эквивалентные конструкции не отходят от сущности и объема настоящего изобретения, и что можно выполнять различные изменения, замены и перестановки в данном документе без отхода от сущности и объема настоящего изобретения.