顶部驱动钻井装置

摘要

一种顶部驱动钻井装置包括：钻塔；由钻塔支撑的竖直轨道；沿着所述一个或多个竖直轨道引导的吊运车；以及用于上下移动吊运车的提升设备。所述装置进一步包括：管状杆，其连接到钻柱的上端以与之一起围绕钻柱的轴线旋转；以及顶部驱动单元，其包括电动机，所述电动机适配成旋转管状杆从而旋转连接的钻柱以便钻井，其中所述顶部驱动单元由吊运车支撑。此外，提供吊卡，所述吊卡适配成例如在下钻过程中在工作位置悬吊所述钻柱，并且提供吊卡支撑组件，其适配成吸收所述悬吊的钻柱的负载并且适配成在钻柱轴线上的工作位置与缩回位置之间移动所述吊卡。根据本发明，吊卡支撑组件体现为吊卡与吊运车之间的直接钻柱承重连接，独立于所述顶部驱动单元。

权利要求

1.顶部驱动钻井装置(1；100)，其包括：

-钻塔(10)，

-由所述钻塔支撑的一个或多个竖直轨道(11a、11b)，

-沿着所述一个或多个竖直轨道引导的吊运车(12；112)，

-用于上下移动所述吊运车的提升设备(20)，

-管状杆(31；131)，其连接到钻柱的上端以与所述钻柱一起围绕所述钻柱的轴线(A)旋转，-顶部驱动单元(30；130)，其包括电动机(32)，所述电动机适配成旋转所述管状杆从而旋转连接的钻柱以便钻井，其中所述顶部驱动单元由所述吊运车支撑，以便至少吸收来自所述顶部驱动单元的电动机的反作用力矩，-吊卡(40；140a、140b)，其适配成在工作位置悬吊所述钻柱，-吊卡支撑组件(45；145)，其适配成吸收悬吊的钻柱的负载并且适配成在钻柱轴线上的工作位置与缩回位置之间移动所述吊卡，其特征在于，

所述吊卡支撑组件体现为所述吊卡与所述吊运车之间的直接钻柱承重连接，独立于所述顶部驱动单元。

2.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置，其中所述吊卡支撑组件包括在上端处连接到所述吊运车的两个枢转第一臂(46；146)，所述枢转第一臂布置在所述顶部驱动单元的相对侧上，以便当在所述工作位置与所述缩回位置之间移动所述吊卡时，沿着所述顶部驱动单元通过。

3.根据权利要求2所述的顶部驱动钻井装置，其中所述吊卡支撑组件包括两个枢转第二臂(47)，每个枢转第二臂在其上端处以枢转方式连接到对应枢转第一臂的下端，其中所述吊卡连接到所述枢转第二臂的下端。

4.根据权利要求3所述的顶部驱动钻井装置，其中横梁(48)连接到所述枢转第二臂的下端，所述横梁支撑所述吊卡。

5.根据权利要求4所述的顶部驱动钻井装置，其中所述枢转第二臂在其上端处以能够自由旋转的方式悬吊，以便在重力的影响下自然悬垂。

6.根据权利要求3所述的顶部驱动钻井装置，其中在所述吊卡的所述工作位置，每对臂中互连的枢转第一臂和枢转第二臂在所述枢转第一臂的上部枢轴下方的竖直线上对齐，该直线与所述钻柱轴线位于共同假想平面中。

7.根据权利要求2所述的顶部驱动钻井装置，其中所述两个枢转第一臂(46；146)相互连接。

8.根据权利要求7所述的顶部驱动钻井装置，其中所述两个枢转第一臂经由一个或多个横梁(146a)相互连接，形成环绕所述顶部驱动单元的U形保持架。

9.根据权利要求2所述的顶部驱动钻井装置，其中横梁(148)连接到所述枢转第一臂(146)的下端，支撑所述吊卡(140a、140b)的两对枢转吊卡臂(147)连接到所述横梁(148)。

10.根据权利要求9所述的顶部驱动钻井装置，其中所述横梁以能够自由旋转的方式从所述枢转第一臂的下端悬吊，以便在重力的影响下自然悬垂。

11.根据权利要求9所述的顶部驱动钻井装置，其中在所述吊卡的所述工作位置，每对臂中的所述枢转第一臂和枢转吊卡臂在所述枢转第一臂的上部枢轴下方的竖直线上对齐，该直线与所述钻柱轴线位于共同假想平面中。

12.根据权利要求2所述的顶部驱动钻井装置，其中横梁(148)连接到所述枢转第一臂(146)的下端，所述横梁(148)基本水平，并且支撑所述吊卡(140a、140b)的第一对和第二对枢转吊卡臂(147、149)连接到所述横梁(148)并且能够沿着所述横梁在工作位置与第一和第二停放位置之间移动，所述枢转吊卡臂各自适配成支撑吊卡(140a、140b)，其中在吊卡的所述工作位置，对应的第一对枢转吊卡臂与所述钻柱轴线在共同假想平面中的竖直线上对齐，并且所述吊卡与所述钻柱轴线对齐，同时第二对枢转吊卡臂位于停放位置。

13.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置，其中所述吊卡支撑组件包括位于所述吊运车与一个或多个枢转臂之间的一个或多个致动器(49；149)。

14.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置，其中所述提升设备支撑大钩(26；126)，并且其中所述顶部驱动单元设置有提环(33；133a、133b)，以便从所述大钩处悬吊所述顶部驱动单元。

15.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置，其中所述吊卡包括至少一个移动的吊卡主体部件(140a'、140b')以便形成所述吊卡的打开状态和关闭状态，其中在所述打开状态下，所述吊卡能够放置在钻柱的一部分周围并从此处移开，并且其中在所述关闭状态下，所述吊卡接合在所述钻柱上，以便从所述吊卡处悬吊所述钻柱。

16.根据权利要求15所述的顶部驱动钻井装置，其中所述吊卡包括指示所述吊卡的打开和/或关闭状态的传感器(141a、141b)，并且其中提供沿着所述吊卡支撑组件延伸到所述吊运车的传感器电缆。

17.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置，其中扳手设备(50；150)连接到所述顶部驱动单元以实现和断开所述管状杆与所述钻柱之间的连接。

18.根据权利要求17所述的顶部驱动钻井装置，其中所述扳手设备适配成相对于所述管状杆进行水平和竖直运动。

19.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置，其中所述吊卡支撑组件设置有一个或多个吊卡储存位置(41)。

20.根据权利要求19所述的顶部驱动钻井装置，其中在所述吊卡的相对侧处设置至少两个吊卡储存位置。

21.根据权利要求1所述的顶部驱动钻井装置，其中所述提升设备包括绳缆(21)和绞车(22)、定滑车(24)以及通过所述绳缆从所述定滑车悬吊下来的游动滑车(25；125)，其中所述吊运车从所述游动滑车处悬吊下来，以便在所述绞车工作时上下移动。

22.用于执行钻井操作的方法，其中使用根据前述权利要求中任意一项所述的装置。

23.用于执行钻井操作的方法，其中使用根据权利要求1所述的装置，其中所述顶部驱动单元以能够拆卸的方式悬吊，所述方法包括以下步骤：-借助顶部驱动单元进行钻井，

-将钻柱从管状杆拆卸，

-将所述钻柱附接到所述吊卡，

-拆卸所述顶部驱动单元，

-将所述钻柱下钻。

24.用于执行钻井操作的方法，其中使用根据权利要求1所述的装置，其中所述顶部驱动单元以能够拆卸的方式悬吊，并且其中提供旋转台以放开所述钻柱，并且其中提供替代的顶部驱动单元，所述方法包括以下步骤：-借助顶部驱动单元进行钻井，

-放开所述旋转台中的所述钻柱，

-拆卸所述顶部驱动单元，

-用所述替代的顶部驱动单元来更换所述顶部驱动单元。

说明书

顶部驱动钻井装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种顶部驱动钻井装置以及一种用于执行钻井操作的方法。

背景技术

[0002] 例如，US 4,489,794参考图8到图10a、10b揭示一种顶部驱动钻井装置，其包括设置有竖直轨道的钻塔，所述竖直轨道由钻塔支撑。吊运车沿着竖直轨道被引导。吊运车从提升设备的游动滑车处悬吊下来，这在钻井业中通常称为钻井绞车。提升设备包括绳缆和绞车，以及定滑车。游动滑车通过绳缆从定滑车悬吊而下。绞车的操作允许沿着轨道将游动滑车和吊运车上下移动。

[0003] 上述已知的装置进一步包括顶部驱动单元，其包括可旋转的管状杆，所述管状杆连接到钻柱的上端，以与之一起围绕钻柱的轴线旋转。顶部驱动单元进一步包括电动机，所述电动机适配成旋转所述管状杆，从而旋转连接的钻柱，以便钻井。顶部驱动单元由吊运车支撑，以便至少吸收来自顶部驱动单元的电动机的反作用力矩。

[0004] 例如，在钻柱从管状杆和/或顶部驱动拆卸时，为了悬吊钻柱，上述已知的装置包括吊卡，所述吊卡适配成例如在下钻(tripping)过程中将钻柱从吊卡悬吊下来。

[0005] 如所属领域中很常见，在此已知的装置中，吊卡由两个可枢转臂固持，所述枢转臂在其上端处以枢转的方式连接到悬吊主体，悬吊主体继而悬挂在顶部驱动单元的可旋转管状杆上形成的肩部上。这些通常所称的臂或连杆非常稳固，因为它们被设计成在诸如下钻等活动过程中吸收整个钻柱的负载。提供致动器，所述致动器可运行以在位于钻柱轴线上的工作位置与远离钻柱轴线的缩回位置之间移动吊卡。

[0006] 已知的布置并不完全令人满意。例如，如US 4,489,794中所说明的，吊卡从可旋转杆处悬吊下来需要一种机制来避免固持吊卡的枢转臂在钻井过程中被带入管状杆的旋转运动。否则，将出现臂和吊卡回转的风险。

发明内容

[0007] 因此，本发明的第一方面的目标是提出一种改进的装置或至少一种替代的装置。

[0008] 本发明的第一方面提供一种基于US 4,489,794的顶部驱动钻井装置，其包括:钻塔；由所述钻塔支撑的一个或多个竖直轨道；沿着所述一个或多个竖直轨道引导的吊运车；用于上下移动所述吊运车的提升设备；管状杆，其连接到钻柱的上端以与所述钻柱一起围绕所述钻柱的轴线旋转；顶部驱动单元，其包括电动机，所述电动机适配成旋转所述管状杆从而旋转连接的钻柱以便钻井，其中所述顶部驱动单元由所述吊运车支撑，以便至少吸收来自所述顶部驱动单元的电动机的反作用力矩；吊卡，其适配成在工作位置悬吊所述钻柱；
吊卡支撑组件，其适配成吸收悬吊的钻柱的负载并且适配成在钻柱轴线上的工作位置与缩回位置之间移动所述吊卡，其特征在于，吊卡支撑组件体现为吊卡与吊运车之间的直接钻柱承重连接，独立于顶部驱动单元。

[0009] 在实施方案中，本发明的设计允许实现优于现有技术设计的相关优点。

[0010] 例如，顶部驱动单元现在无需设计成支撑吊卡，从而其设计不复杂，成本也不高。

[0011] 此外，顶部驱动单元无需配合吊卡，反之亦然。

[0012] 根据本发明的第一方面，顶部驱动单元由吊运车支撑，以便至少吸收来自顶部驱动单元的电动机的反作用力矩。吊运车从提升设备处悬吊下来。同样可以想到，顶部驱动单元从吊运车处悬吊下来，或者顶部驱动单元从提升设备(例如，游动滑车)处悬吊下来，并且仅由吊运车支撑，以吸收反作用力矩。因此，顶部驱动从提升设备处悬吊下来，任选地经由吊运车悬吊下来。

[0013] 根据本发明的第一方面，管状杆连接到钻柱的上端，以与之一起围绕钻柱的轴线旋转。在一个实施方案中，管状柱连接到顶部驱动单元或与之形成整体。由于顶部驱动单元被吊运车支撑，因此，管状杆经由顶部驱动单元而被吊运车支撑。在一个替代实施方案中，管状杆以允许管状杆旋转的方式直接连接到吊运车。在这两个实施方案中，顶部驱动单元被允许接合在管状杆上，以旋转管状杆，从而旋转连接的钻柱，以便钻井。

[0014] 在一个可能的实施方案中，顶部驱动单元与吊运车形成整体。

[0015] 或者，顶部驱动单元以可拆卸的方式悬吊下来。例如，在一个实施方案中，提升设备(例如，提升设备的游动滑车)支撑大钩，并且顶部驱动单元设置有提环以便将顶部驱动单元从大钩悬吊下来。此类可拆卸的顶部驱动单元使得顶部驱动单元能够从吊运车移除，而吊卡仍能充分发挥作用。这可用来例如在钻柱的下钻过程中对顶部驱动单元进行维护或修理。顶部驱动便可简单地移除，但是下钻不会受到影响。此外，有可能提供替代的顶部驱动，以及允许本发明的顶部驱动钻井装置与所述顶部驱动进行更换。在一个实施方案中，其中顶部驱动以可拆卸的方式从提升设备悬吊下来，任选地经由吊运车悬吊，可以实施根据本发明的一种方法，所述方法包括以下步骤：

[0016] -借助顶部驱动单元进行钻井，

[0017] -将钻柱从管状杆和/或顶部驱动拆卸，

[0018] -将钻柱附接到吊卡，

[0019] -将顶部驱动从提升设备或吊运车拆卸，

[0020] -将钻柱下钻。

[0021] 在一个实施方案中，顶部驱动钻井装置还设置有顶部驱动提升设备，以用于悬吊顶部驱动并且适配成将顶部驱动从钻柱轴线上的工作位置移开。有可能的是，用于上下移动吊运车的提升设备邻近钻柱轴线延伸，从而允许顶部驱动提升设备在钻柱轴线内接合顶部驱动。例如，顶部驱动提升设备可以是传统的起重机。

[0022] 此外，吊卡上的任何电子设备，例如，一个或多个传感器例如用以用信号通知吊卡的打开和/或关闭状态，或用以用信号通知吊卡中管件的存在)可以经由沿着吊卡支撑组件行进的一个或多个绳缆(例如，经由牵引链)进行连接，从而绕过顶部驱动单元。这再次避免顶部驱动单元和吊卡的设计之间过度配合。

[0023] 根据本发明的第一方面，吊卡支撑组件体现为吊卡与吊运车之间的直接钻柱承重连接，独立于顶部驱动单元。因此，吊卡支撑组件连接到吊运车，而同时顶部驱动单元也由吊运车支撑。有可能的是，吊卡支撑组件的连接点设于管状柱的上方。在一个实施方案中，吊卡支撑组件的连接点设于顶部驱动单元的电动机的上方。

[0024] 在一个实施方案中，吊卡支撑组件包括在上端处连接到吊运车的两个枢转第一臂，所述第一臂布置在顶部驱动单元的相对侧上，以便当在工作位置与缩回位置之间移动吊卡时，沿着顶部驱动单元通过。任选地，第一臂可在上端处以自由旋转的方式悬吊，以便在重力的影响下自然悬垂。

[0025] 在一个实施方案中，两个枢转第一臂相互连接，例如，经由一个或多个横梁连接，例如，形成环绕顶部驱动单元的U形保持架。任选地，横梁连接到第一臂的下端，所述横梁支撑吊卡。

[0026] 在一个实施方案中，吊卡支撑组件包括位于吊运车与一个或多个枢转臂之间(例如，每个第一臂与吊运车之间)的一个或多个致动器，例如，液压缸，以在钻柱轴线上的工作位置与缩回位置之间移动吊卡。

[0027] 优选地，在工作位置，枢转臂与钻柱轴线在共同假想平面中的第一臂的枢轴下方的竖直线上对齐。在缩回位置，枢转臂可以一定的角度枢转远离竖直线，所述角度介于10°到90°之间，优选介于15°到45°之间。

[0028] 在一个实施方案中，吊卡支撑组件包括两个枢转第二臂，每个在其上端处以枢转的方式连接到对应第一臂的下端，其中吊卡连接到第二臂的下端。有可能的是，横梁连接到第二臂的下端，所述横梁支撑吊卡。

[0029] 在一个实施方案中，吊卡支撑组件设置有用于钻井装备(例如，备用或替代的吊卡)的一个或多个储存位置。优选地，至少两个储存位置设在吊卡的相对侧处。在一个实施方案中，其中吊卡支撑组件包括例如枢转第一臂之间或枢转第二臂之间的横梁，横梁有可能在吊卡的相对侧处提供储存位置，例如，用于替代的吊卡。

[0030] 在一个实施方案中，吊卡支撑组件包括位于吊运车与一个或多个枢转第一臂之间的一个或多个致动器，例如，液压缸，以在钻柱轴线上的工作位置与缩回位置之间移动吊卡。第二臂可在其上端处以可自由旋转的方式悬吊，以便在重力的影响下自然悬垂。

[0031] 优选地，在吊卡的工作位置，每对枢转臂中互连的枢转第一臂和第二臂在第一臂的上部枢轴下方的竖直线上对齐，该直线与钻柱轴线在共同的假想平面中。在缩回位置，第一枢转臂可以一定的角度枢转远离竖直线，所述角度介于10°到90°之间，优选介于15°到45°之间，而同时第二枢转臂可被允许在重力的影响下从第一枢转臂自然悬垂。

[0032] 在一个替代实施方案中，吊卡支撑组件包括两个枢转第一臂，所述第一臂在其上端处连接到吊运车并且在下端处由横梁互连起来。支撑吊卡的一对枢转吊卡臂连接到所述横梁。优选地，一个或多个致动器(例如，液压缸)设在吊运车与一个或多个枢转第一臂之间，以在钻柱轴线上的工作位置与缩回位置之间移动吊卡。横梁可以可自由旋转的方式从枢转第一臂处悬吊，以便在重力的影响下自然悬垂。

[0033] 在吊卡的工作位置，每对臂中的枢转第一臂和吊卡臂在第一臂的上部枢轴下方的竖直线上对齐，该直线与钻柱轴线位于共同的假想平面中。

[0034] 不同类型的吊卡可设在本发明的顶部驱动钻井装置中，例如，适配成悬吊钻柱、套管、衬垫等的吊卡。

[0035] 在一个实施方案中，第一枢转臂之间的横梁基本水平，并且两对枢转吊卡臂可沿着横梁在工作位置与第一和第二停放位置之间移动，枢转吊卡臂各自支撑吊卡，其中在吊卡的工作位置，对应的成对吊卡臂与钻柱轴线在共同假想平面中的竖直线上对齐，并且吊卡与钻柱轴线对齐，而同时另一对吊卡臂位于停放位置。可以想到，处于停放位置的吊卡臂支撑的吊卡仍可操作，例如，允许管件附接到吊卡。

[0036] 优选地，工作位置设于横梁上的中心，而停放位置设于横梁的端部。例如，横梁设有轨道，沿着所述轨道，成对的吊卡臂可移动，例如，经由吊运车移动。例如，液压缸用于移动吊卡臂。

[0037] 提供两对吊卡臂允许将吊卡拆卸和组装到处于停放位置的成对吊卡臂，而同时另一对吊卡臂支撑工作位置的吊卡。当过程中需要不同类型的吊卡时，尤其是当需要在不同类型的吊卡(例如，用于钻管的吊卡和用于管套的吊卡)之间切换时，这比较有利。带有两对吊卡臂(每对均适配成支撑吊卡)的实施方案允许两种类型的吊卡之间的有效切换，这可有助于整体过程效率。

[0038] 在一个可能的方法中，其中使用如上所述的装置，并且其中旋转台用于放开一串管件，所述方法包括以下步骤：

[0039] -经由处于工作位置的第一对吊卡臂和第一吊卡来降低套管，而第二对吊卡臂和第二吊卡处于第二停放位置，

[0040] -放开所述旋转台中的套管柱，

[0041] -将第一对吊卡臂移动到第一停放位置，以及将第二对吊卡臂和第二吊卡从第二停放位置移动到工作位置，

[0042] -经由第二对吊卡臂和第二吊卡来降低钻管。

[0043] 应注意，替代的夹具等可应用于悬挂一串管件。根据操作，管件串可包括套管或钻管，例如，用作接地钻杆。

[0044] 在一个实施方案中，吊卡包括至少一个移动吊卡主体部件，以便造成吊卡的打开和关闭状态，其中在打开状态下，吊卡可放置在钻柱或钻管的一部分周围并从此处移开，并且其中在所述关闭状态下，吊卡接合在钻柱或钻管上，以便将所述钻柱或钻管从吊卡处悬吊下来。

[0045] 任选地，吊卡包括指示吊卡的打开和/或关闭状态的传感器，并且其中提供沿着吊卡支撑组件延伸到吊运车的传感器电缆。优选地，也提供传感器和传感器电缆，以指示吊卡中管件的存在。

[0046] 在一个实施方案中，提供扳手设备，所述扳手设备连接到顶部驱动单元，以实现和断开管状杆与钻柱之间的连接。优选地，扳手设备适配成相对于管状杆进行水平和竖直运动。

[0047] 根据本发明，提升设备用于上下移动吊运车。提升设备可以采用全液压钻机(RamRig)类型，或者可包括齿条和小齿轮。在一个实施方案中，提升设备包括绳缆和绞车、定滑车以及通过所述绳缆从定滑车处悬吊下来的游动滑车，其中吊运车从游动滑车处悬吊下来，以便在绞车操作后上下移动。

[0048] 本发明的第二方面涉及顶部驱动钻井装置，其包括：

[0049] -钻塔，

[0050] -由钻塔支撑的一个或多个竖直轨道，

[0051] -沿着所述一个或多个竖直轨道引导的吊运车，

[0052] -用于上下移动吊运车的提升设备，

[0053] -管状杆，其连接到钻柱的上端，以与之一起围绕钻柱的轴线旋转，[0054] -顶部驱动单元，其包括电动机，所述电动机适配成旋转管状杆，从而旋转连接的钻柱，以便钻井，其中顶部驱动单元由吊运车支撑，以便至少吸收来自顶部驱动单元的电动机的反作用力矩，

[0055] -吊卡，其适配成在工作位置悬吊钻柱，例如，在下钻过程中，

[0056] -吊卡支撑组件，其适配成吸收悬吊的钻柱的负载并且适配成在钻柱轴线上的工作位置与缩回位置之间移动所述吊卡。

[0057] 如上所述，例如，从US 4,489,794已知此类装置。本发明的第二方面的目标是提出一种改进的装置或至少一种替代的装置。

[0058] 根据本发明的第二方面，本发明提供一种基于US 4,489,794的根据顶部驱动钻井装置，其包括:钻塔；由所述钻塔支撑的一个或多个竖直轨道；沿着所述一个或多个竖直轨道引导的吊运车；用于上下移动所述吊运车的提升设备；管状杆，其连接到钻柱的上端以与所述钻柱一起围绕所述钻柱的轴线旋转；顶部驱动单元，其包括电动机，所述电动机适配成旋转所述管状杆从而旋转连接的钻柱以便钻井，其中所述顶部驱动单元由所述吊运车支撑，以便至少吸收来自所述顶部驱动单元的电动机的反作用力矩；吊卡，其适配成在工作位置悬吊所述钻柱；吊卡支撑组件，其适配成吸收悬吊的钻柱的负载并且适配成在钻柱轴线上的工作位置与缩回位置之间移动所述吊卡，其特征在于，吊卡支撑组件包括基本水平的横梁，两对枢转吊卡臂可沿着所述横梁在工作位置与第一和第二停放位置之间移动，枢转吊卡臂各自适配成支撑吊卡，其中在吊卡的工作位置，对应的成对吊卡臂与钻柱轴线在共同假想平面中的竖直线上对齐，并且吊卡与钻柱轴线对齐，而同时另一对吊卡臂位于停放位置。

[0059] 在实施方案中，本发明的设计允许实现优于现有技术设计的相关优点。

[0060] 例如，提供两对吊卡臂允许吊卡到处于停放位置的成对吊卡臂的拆卸和组装，而同时另一对吊卡臂在工作位置支撑吊卡。当过程中需要不同类型的吊卡时，尤其是当需要在不同类型的吊卡之间切换时，这比较有利。带有两对吊卡臂(每对均适配成支撑吊卡)的实施方案允许两种类型的吊卡之间的有效切换，这可有助于整体过程效率。

[0061] 本发明的这一方面可独立于本发明的第一方面进行应用，或者与本发明的第一方面结合应用。

[0062] 本发明进一步涉及一种用于执行钻井操作的方法，其中使用如上所述的本发明的装置。

[0063] 具体而言，本发明涉及一种方法，其中使用如上所述的装置，其中顶部驱动以可拆卸的方式悬吊，所述方法包括以下步骤：

[0064] -借助顶部驱动单元进行钻井，

[0065] -将钻柱从管状杆拆卸，

[0066] -将钻柱附接到吊卡，

[0067] -拆卸所述顶部驱动，

[0068] -将钻柱下钻。

[0069] 本发明进一步涉及一种方法，其中使用如上所述的装置，其中顶部驱动以可拆卸的方式悬吊，并且其中提供旋转台以放开钻柱，并且其中提供替代的顶部驱动，所述方法包括以下步骤：

[0070] -借助顶部驱动单元进行钻井，

[0071] -放开所述旋转台中的钻柱，

[0072] -拆卸所述顶部驱动，

[0073] -用替代的顶部驱动来更换所述顶部驱动。

[0074] 应注意，替代的夹具等可应用于悬挂钻柱。可以想到，顶部驱动通过吊运车由起重机等向上提起。也有可能的是，当吊卡和吊卡支撑组件已在向上方向上移动时，顶部驱动下降到支柱等上。因此，此类装置允许在需要时容易更换顶部驱动。可以想到，拆卸顶部驱动的步骤之后并不是更换顶部驱动，而是可进行不需要顶部驱动的替代钻井操作。在一个实施方案中，如下文参考图10b所阐明的，此类操作可包括使用泥浆软管和管状杆，其中顶部驱动因此被移除。

[0075] 本发明还涉及一种方法，其中使用如上所述的装置，所述方法包括以下步骤：

[0076] -借助顶部驱动单元进行钻井，

[0077] -将钻柱从管状杆拆卸，

[0078] -将支撑第一吊卡的第一对枢转吊卡臂设置在工作位置，以及将第二对吊卡臂设置在停放位置，

[0079] -将钻柱附接到第一吊卡，

[0080] -拆卸所述顶部驱动，

[0081] -将钻柱下钻，

[0082] -将第二吊卡附接到处于停放位置的第二对吊卡臂。

附图说明

[0083] 参考附图进一步解释本发明，在附图中：

[0084] 图1示出顶部驱动钻井装置的第一实施方案的侧视图；

[0085] 图2示出图1的顶部驱动钻井装置的正视图；

[0086] 图3示出顶部驱动钻井装置的第二实施方案的正面透视图；

[0087] 图4示出图3的第二实施方案的后方透视图；

[0088] 图5示出处于非工作位置的图3和图4的第二实施方案的正面透视图；

[0089] 图6示出图3的第二实施方案的正面透视图，其中钻柱从处于工作位置的由第一对吊卡臂支撑的吊卡处悬吊下来，并且其中第二对吊卡臂位于停放位置；

[0090] 图7示出图6的实施方案，其中钻柱与管状杆断开连接；

[0091] 图8示出本发明的第二实施方案中提供的吊卡支撑板的放大图；

[0092] 图9示意性地示出顶部驱动钻井装置的管状杆的实施方案的细节的截面图；

[0093] 图10a和图10b示意性地示出顶部驱动钻井装置的第三实施方案的侧视图。

具体实施方式

[0094] 在图1和图2中，分别示出根据本发明第一方面的顶部驱动钻井装置1的侧视图和正视图。

[0095] 在附图中，示意性地示出钻塔10的一部分，以及钻塔10支撑的两个竖直轨道11a，11b。吊运车12沿着所述竖直轨道11a，11b经由引导轮组13进行引导。

[0096] 顶部驱动钻井装置1还设有提升设备20，所述提升设备包括绳缆21和绞车22。绳缆21从绞车经由钻塔10顶部的一个或多个滑轮23延伸到定滑车24和游动滑车25。定滑车包括安装在共同轴上的多个绳轮24a。游动滑车25通过所述绳缆21从定滑车24悬吊下来。吊运车
12经由连接器26在游动滑车25的端部处被悬吊，以便随着绞车22的运行而上下移动。

[0097] 在未示出的实施方案中，顶部驱动钻井装置还设置有顶部驱动提升设备，其适配成悬吊顶部驱动并且将顶部驱动从钻柱轴线上的工作位置移开。为此，定滑车24和游动滑车25可采用U形结构，其中绳缆21在U的支腿之间延伸，并且其中顶部驱动提升设备被允许经由U的支腿之间的开口进入钻柱轴线，以在钻柱轴线内接合顶部驱动。

[0098] 顶部驱动钻井装置1还设置有顶部驱动单元30，所述顶部驱动单元30包括管状杆31，以连接到钻柱(未示出)的上端，从而与之一起围绕钻柱的轴线A旋转，并且包括电动机
32，所述电动机适配成旋转管状杆31，从而旋转连接的钻柱，以便钻井。游动滑车25支撑大钩26，并且顶部驱动单元30设置有提环33，以便从大钩26将顶部驱动单元悬吊下来。大钩26经由连接器27直接连接到游动滑车25。顶部驱动单元30由顶部驱动框架34支撑，其中吊运车12(尤其是吊运车部分12')吸收来自顶部驱动单元30的电动机32的反作用力矩。

[0099] 提供了吊卡40，所述吊卡适配成例如在下钻过程中例如当所述钻柱从顶部驱动单元30的管状杆31拆卸时悬吊钻柱。吊卡支撑组件45适配成吸收悬吊的钻柱的负载并且适配成在钻柱轴线上的工作位置与缩回位置之间移动吊卡40。在图1中，示出吊卡支撑组件45的缩回位置R，其中吊卡支撑组件45在轨道11a，b的方向上缩回。图1中也可见处于工作位置O的吊卡40的位置，其中吊卡与钻柱的轴线A一致。还指示出远离轨道的吊卡40的替代缩回位置R'。在图2中，示出处于工作位置O的吊卡40。

[0100] 根据本发明，吊卡支撑组件45体现为吊卡40与吊运车12之间的直接钻柱承重连接，独立于顶部驱动单元30。

[0101] 吊卡支撑组件45包括两个枢转第一臂46，其经由枢转轴P1在上端处连接到吊运车12。第一臂46布置在顶部驱动单元30的相对侧上，以便当在工作位置O与缩回位置R或R'之间移动吊卡时，经过顶部驱动单元30。在所示的实施方案中，吊卡支撑组件45包括两个枢转第二臂47，所述第二臂各自在上端处以围绕枢转轴P2枢转的方式连接到对应第一臂46的下端。横梁48经由枢转轴P3以枢转的方式连接到第二臂47的下端。所述横梁48支撑吊卡40。在所示实施方案中，第二臂47在其上端处以可自由旋转的方式被悬吊，以便在重力的影响下自然悬垂。两个吊卡储存位置41设在横梁48上，位于吊卡40的相对侧。

[0102] 在吊卡40的工作位置O，每对臂的相互连接的第一臂47和第二臂48在第一臂的上部枢轴P1下方的竖直线上对齐，该直线与钻柱轴线A处于共同的假想平面中。

[0103] 吊卡支撑组件45包括位于吊运车与一个或多个枢转臂之间(例如，每个第一臂与吊运车之间)的一个或多个致动器49，例如，液压缸。

[0104] 扳手设备50连接到顶部驱动单元30，以实现和断开管状杆31与钻柱之间的连接。优选地，扳手设备50适配成相对于管状杆31进行水平和竖直运动。

[0105] 吊卡40包括至少一个移动式吊卡主体部件(未详细示出)，以便形成吊卡的打开和关闭状态，其中在打开状态下，吊卡可放置在钻柱或钻管的一部分周围并可从此处移开，并且其中在关闭状态下，吊卡接合在钻柱或钻管上，以便从吊卡悬吊所述钻柱或钻管。吊卡40包括指示吊卡的打开和/或关闭状态的传感器55，并且其中提供沿着吊卡支撑组件45延伸到吊运车12的传感器电缆(本身未示出)。高度优选的是，不但吊卡的状态被传感器监测，而且钻管的接合情况也被传感器监测。

[0106] 在图3到图7中，示出根据本发明的第一和第二方面的顶部驱动钻井装置100的第二实施方案的正面透视图和后方透视图，并且处于非工作位置。由于附图涉及相同的实施方案，因此，相同的部件用相同的附图标记指示。

[0107] 在图3到图7中，并未示出钻塔以及由钻塔支撑的竖直轨道。然而，示出了沿着所述竖直轨道进行引导的吊运车112，所述吊运车包括引导轮组113。

[0108] 顶部驱动钻井装置100还设置有提升设备(未示出)，所述提升设备用于将吊运车112上下移动。可以看出，吊运车112从游动滑车125悬吊下来，以便上下移动。具体而言，吊运车112设置有从竖直轨道水平伸出的上部框架部分112a，其在所示实施方案中设置有连接器以连接游动滑车125的绳轮125a，此处体现为可拆分块(splittable block)，如可从申请人那里商购得到并且先前在例如US 6,926,103中描述。

[0109] 顶部驱动钻井装置100还设置有顶部驱动单元130。在此实施方案中，管状杆131与顶部驱动单元130形成整体，所述管状杆131将被连接到钻柱(未示出)的上端，以与之一起围绕钻柱的轴线A旋转。顶部驱动单元130包括电动机，以旋转管状杆131，从而旋转连接的钻柱，以便钻井。

[0110] 在图9示意性地示出的替代实施方案中，管状杆231连接到钻柱201的上端，以与之一起旋转。此处，管状杆231由吊卡支撑组件借助止推轴承250进行支撑。此处，止推轴承250由吊卡支撑组件的基本水平横梁248支撑，所述横梁以可自由枢转的方式悬吊到枢转第一臂的下端，类似于图3到图7中的水平横梁148。止推轴承250允许管状杆231旋转，例如，借助力矩生成设备。管状杆231将由顶部驱动单元旋转，具体而言，通过例如缸体130a将顶部驱动单元的力矩传输销下降到管状杆中，如参考图3到图7所述，并且如下文所将要描述的。

[0111] 应注意，在图3到图7的实施方案中，其中钻柱从顶部驱动单元悬吊下来，顶部驱动单元支撑钻柱，因此，需要设置有止推轴承。在图9的实施方案中，替代的顶部驱动单元可不设置有此类止推轴承。

[0112] 在图3到图7中，可以看出，吊运车112的上部框架部分112a设置有用于销126的孔眼，适配成支撑顶部驱动单元130的支撑提环133a和133b，以便将顶部驱动单元130从钩式吊运车112处悬吊下来。具体而言，在图5中，可以看出顶部驱动单元130由顶部驱动框架134支撑，其中吊运车112吸收来自顶部驱动单元130的电动机的反作用力矩。在顶部驱动单元130的上部，提供缸体130a，以将顶部驱动单元130与吊运车的上部框架部分112a连接起来。
当假设移走顶部驱动单元130并且提环133a，133b需要从销126移走时，此缸体130a用来相对于吊运车112将顶部驱动单元130提起。缸体130也可用来将顶部驱动单元的力矩传输销下降到管状杆中，如上所述。

[0113] 提供吊卡140a，140b，所述吊卡适配成例如在下钻过程中例如当从顶部驱动单元130的管状杆131拆卸钻柱、管套等时悬吊它们。

[0114] 吊卡140a，140b由吊卡支撑组件145支撑，所述吊卡支撑组件适配成吸收悬吊的钻柱、管套等的负载，并且适配成在钻柱轴线A上的工作位置与缩回位置之间移动吊卡140。在图5中，示出吊卡支撑组件145的缩回位置，其中吊卡支撑组件145被缩回远离吊运车112的轨道。吊卡支撑组件145包括位于吊运车112与第一枢转臂146之间的一个或多个致动器149，例如，液压缸，以便在工作位置与远的位置之间移动吊卡支撑组件。

[0115] 在图3、图4、图6和图7中，示出吊卡支撑组件145的工作位置。

[0116] 根据本发明，吊卡支撑组件145体现为吊卡140a，140b与吊运车112之间的直接钻柱承重连接，独立于顶部驱动单元130。

[0117] 在图3到图7的实施方案中，吊卡支撑组件145包括两个枢转第一臂146，其经由枢转轴R1在上端处连接到吊运车12。第一臂146布置在顶部驱动单元130的相对侧上，以便当在图3和图4的工作位置与图5所示的缩回位置之间移动吊卡支撑组件145时，沿着顶部驱动单元130通过。此处，第一臂146在中间杆处经由连接梁146a进行互连。

[0118] 应注意，在图5的枢转第一臂146的缩回位置，可以拆卸和将顶部驱动下降到支柱上，例如，用于维护、用另一顶部驱动更换，或者仅仅是因为顶部驱动对于之后的操作来说比较多余。

[0119] 在图3到图7的实施方案中，吊卡支撑组件145进一步包括基本水平的横梁148，所述横梁以围绕枢转轴R2可自由枢转的方式悬吊到枢转第一臂146的下端。

[0120] 在所示实施方案中，吊卡支撑板155连接到横梁148，所述支撑板设置有开口155O。图8中示出吊卡支撑板155的放大图。在所述开口中，提供两个吊卡支撑块156，157，所述支撑块设置有开口，并且分别支撑吊卡140a，140b的一对枢转吊卡臂147，149分别从每个支撑块悬吊下来。任选地，带有吊卡臂的吊卡被允许围绕吊卡支撑块内的竖直轴线旋转。在所示的实施方案中，吊卡支撑块156，157可在在吊卡支撑板155中的开口内在工作位置P1、第一停放位置P2以及第二停放位置P3之间移动。有可能的是，提供缸体以促使吊卡支撑块156，
157的移动。优选提供牵引链来控制和向吊卡提供动力。

[0121] 在图4和图5中，示出了吊卡支撑块156，157处于板155的端部位置处的停放位置P3和P2。在图6和图7中，带有一对吊卡臂147的吊卡支撑块156设置在停放位置P2，而吊卡支撑块157不可见，这是因为它设置成使得吊卡臂149和吊卡140b处于工作位置。吊卡臂149与钻柱101的钻柱轴线A在共同假想平面中的竖直线上对齐，并且吊卡140b与钻柱轴线A对齐。

[0122] 在所示实施方案中，横梁148设置有扳手设备150，以实现和断开管状杆131与钻柱之间的连接。在所示实施方案中，扳手设备150适配成相对于管状杆131水平和竖直运动，从而允许横梁148移动远离工作位置并且远离管状杆131。竖直运动通过提供轨道150a实现。如在图3中尤其指出，所示实施方案的扳手设备150包括上部扳手150'和底部扳手150”。底部扳手150”夹住钻柱，提供力矩，而上部扳手150'转动管状杆。由于使用扳手设备的这种配置，顶部驱动无需提供管状杆与钻柱之间的连接。

[0123] 枢转吊卡臂147，149各自适配成支撑吊卡140a，140b。在吊卡140b的工作位置，如图6和图7所示，对应的成对吊卡臂与钻柱101的钻柱轴线A在共同假想平面中的竖直线上对齐，并且吊卡与钻柱轴线对齐，而另一对吊卡臂位于停放位置。具体而言，枢转吊卡臂147，149各自在其上端处以围绕枢转轴R3枢转的方式连接到吊卡支撑块156，157。为了帮助对齐过程，具体而言，使得钻管、管套等与钻柱101的轴线A一致，液压缸147a，149a应用在吊卡臂
147，149的附近。

[0124] 所示吊卡140a，140b各自包括移动的吊卡主体部件，以便形成吊卡的打开和关闭状态。具体而言，移动的吊卡部件140b'相对于吊卡部件140b”移动，而移动的吊卡部件140a'相对于吊卡部件140a”移动。在图3到图5中，所示吊卡140b处于打开状态，从而允许吊卡140b放置在钻柱或钻管的一部分的周围，并从此处移开。在图3到图5中，所示吊卡140a处于关闭状态，其中吊卡140a适配成接合在钻柱或钻管(未示出)上，以便从吊卡140a悬吊所述钻柱或钻管。在图6和图7中，所示吊卡140b处于关闭状态，放置在钻柱或钻管101的一部分的周围，而所示吊卡140a处于打开状态。

[0125] 所示吊卡140a，140b包括分别用于指示吊卡的打开和/或关闭状态的传感器141a，141b，并且其中提供沿着吊卡支撑组件146延伸到吊运车112的传感器电缆(未示出)。此外，优选传感器设置为用于指示管件是否由吊卡固持。

[0126] 在图10a和图10b中，示意性地示出根据本发明的顶部驱动钻井装置200的部件，尤其是通过提升设备220沿着钻塔支撑的轨道(均未示出)上下移动的吊运车212。顶部驱动单元231经由连接器233从吊运车处悬吊下来。顶部驱动包括电动机，所述电动机适配成旋转管状杆，从而旋转连接的钻柱，以便钻井，其中顶部驱动单元由吊运车支撑，以便至少吸收来自顶部驱动单元的电动机的反作用力矩。根据本发明，吊卡支撑组件245设于吊卡(未示出)与吊运车212之间，独立于顶部驱动单元231。因此，有可能在不拆开吊卡的情况下移开顶部驱动单元231。

[0127] 泥浆软管280也称为水龙带(Kelly hose)，用于将泥浆最终供应到钻柱。类似地但未示出，提供用于电子设备、控制信号和液压装置的供应线。通常，电子设备、控制信号和/或液压装置直接供应到吊运车212，并且同时，电子设备、控制信号、液压装置和/或泥浆被供应到顶部驱动单元231。

[0128] 在图10a和图10b中，根据本发明的优选方面，泥浆软管280只连接到吊运车212。类似地，用于电子设备、控制信号和液压装置的其他供应线例如经由牵引链等也只连接到吊运车212。电子设备、控制信号、液压装置和/或泥浆随后经由跨接线传送到顶部驱动单元231。此处，图10a示出泥浆跨接线281，用于将泥浆从吊运车212传送到顶部驱动单元231上的传统泥浆连接器282。

[0129] 在顶部驱动单元231移开之后，此泥浆跨接线281可与顶部驱动单元231断开连接，而泥浆软管280仍连接到吊运车212。例如，在顶部驱动的维护过程中，或在安装替代的顶部驱动时，或者在吊运车和吊卡用于不需要顶部驱动的目的时，这比较有利。

[0130] 例如，在图10b所示的情况下，类似于图9的配置，管状杆231可由止推轴承250支撑到吊卡支撑组件245，尤其是支撑到其基本水平的横梁248。在此配置中，泥浆可经由细长的泥浆跨接线283直接传送到管状杆231。

[0131] 或者，未示出，钻柱的上端由夹具支撑，所述夹具由吊卡支撑组件的基本水平横梁支撑，所述横梁以可自由枢转的方式悬吊到枢转第一臂的下端，类似于图3到图7中的水平横梁148以及图9和图10a、10b中的横梁248。所述夹具优选为旋转夹具，其允许钻柱例如通过力矩生成设备进行旋转。因此，可以想到，顶部驱动和管状杆被移开，并且类似于图10b所示的情形，泥浆可经由细长的泥浆转接线直接传送到钻柱的上端。