CN101076651B - 一种用于套管钻井的方法和钻井单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及套管钻井的方法、钻井单元和适配器。用于延伸钻井设备钻凿的适配器(20)包括内部件(21)，该内部件(21)可由钻岩机(7)的旋转装置(9)旋转。围绕内部件存在有外部件(22)，该外部件(22)可沿轴向方向相对于内部件移动。通过改变外部件的轴向位置，可在螺纹连接期间选择将旋转力从旋转装置引向内杆(10)或引向用于套管钻井中的外管(13)。

Description

一种用于套管钻井的方法和钻井单元

技术领域

本发明涉及一种用于套管钻井的方法，该方法包括：通过由包括在钻岩机中的旋转装置旋转内杆钻凿岩石，和通过至少一个钻头破碎岩石并在钻凿期间将外管拉入钻孔；通过沿纵向方向依次连接两个或多个内杆和通过沿纵向方向依次相应地连接两个或多个外管形成延伸钻井设备；当内杆连接在一起时或者当延伸钻井设备被拆卸时绕内杆的纵向轴线旋转内杆；当外管连接在一起时或者当延伸钻井设备被拆卸时绕外管的纵向轴线旋转外管；不同时执行连接内杆和外管所需的旋转；当延伸钻井设备被装配或被拆卸时，通过钻岩机的旋转装置和连接至该旋转装置的适配器进行内杆和外管的旋转。

本发明还涉及钻井单元，其包括：钻岩机，其包括用于绕其纵向轴线旋转至少一个内杆的至少一个旋转装置；进给机构，其用于移动钻岩机；和进给梁，其支承钻岩机，并且钻岩机在该进给梁上朝待钻凿的岩石向前移动和向后移动；和适配器，该适配器布置成将钻岩机旋转装置产生的旋转力传递至内杆；该适配器包括细长内部件，该内部件的第一端接受由旋转装置所产生的旋转力，其第二端可连接至内杆；该适配器还包括外部件，该外部件为细长管状件，布置成至少部分围绕内部件，并且其第二端可连接至用于套管钻井的外管。

本发明还涉及一种适配器，其用于将来自钻岩机旋转装置的旋转力传递至至少一个工具，该适配器包括：具有第一端和第二端的细长内部件；内部件的第一端包括第一装置，该第一装置能够将来自钻岩机旋转装置的旋转力传递至内部件，内部件的第二端包括第二连接装置，该第二连接装置能够将内部件连接至内杆；外部件，其为具有第一端和第二端的细长管状件，并且该外部件布置成至少部分围绕内部 件；外部件的第二端包括第三连接装置，该第三连接装置能够将外部件连接至用于套管钻井的外管。

背景技术

当在破碎的或软的岩石中或者在其它对于挖掘隧道质量差的岩石中挖掘隧道时，可能必须通过多个锚固(anchoring)、螺栓和通过将混凝土或另外的填充物注入钻孔中以支承隧道壁和隧道顶。还已知在开始实际的隧道挖掘之前已经支承隧道壁和隧道顶。在该情况下，可采用以下的套管钻井，即根据其后隧道的待形成的轮廓彼此相邻地钻凿多个钻孔。在套管钻井中，在钻井期间将套管引入钻孔中，可保留该套管以支承质量差的岩石。在套管钻井中，使用两倍的设备，即通过钻凿的旋转装置旋转钻杆或相应的内杆以及可能绕其旋转套管或相应的外管来执行钻凿。套管的最远端具有环状钻头，并且钻杆的最远端具有内部钻头。当钻凿的钻孔足够深时，钻杆和内部钻头从钻孔中退出。可将套管保留在钻孔中，在该情况下，该套管形成支承钻孔的元件。此外，可将混凝土、另外的焊接材料和必需的支承构件注入套管中。

当钻凿出深的钻孔时，作为延伸钻井设备钻凿执行套管钻凿。在该情况下，套管钻凿所采用的钻凿部件，即钻杆和套管沿纵向方向依次连接。钻杆和套管都可具有用于连接的连接螺纹。当延伸钻井设备时，必须能够绕它们的纵向轴线旋转钻杆和套管，以便可将相继的钻凿部件的连接螺纹连接在一起。相应地，当拆卸钻凿设备时，必须能够绕其纵向轴线旋转钻凿部件以分离连接螺纹。然而，必须非同时地连接钻杆和套管，在该情况下，必须能够彼此无关地旋转待连接的钻杆和套管。套管钻井所采用的现有技术钻井单元具有分离的旋转单元，该旋转单元用于当套管连接至钻杆或者套管和钻杆彼此分离时旋转套管，而与钻杆无关。然而，这种旋转单元不利地增大钻井单元的重量并导致额外成本和维护的附加需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于套管钻井的新的以及改进的方法和装置。

根据本发明的方法的特征在于：在延伸钻井设备的连接和拆卸中利用适配器，该适配器包括连接至内杆的内部件和连接至外套的外部件；为适配器的内部件提供旋转力，并将该旋转力从内部件传递至外部件；和沿轴向方向相对于内部件移动外部件，以选择由旋转装置所产生的旋转力是否影响内杆或外管。

根据本发明的钻井单元的特征在于：内部件通过至少一个连接装置连接至外部件，连接装置布置成在内部件和外部件之间传递旋转力，而与内部件和外部件的相互纵向位置无关；和适配器包括至少一个致动器，其用于沿纵向方向相对于内部件移动外部件，可在纵向方向上改变内部件的第二端和外部件的第二端之间的相互位置。

根据本发明的适配器的特征在于：内部件通过至少一个连接装置连接至外部件，连接装置布置成在内部件和外部件之间传递旋转力，而与内部件和外部件的相互纵向位置无关；和适配器包括至少一个致动器，其用于沿纵向方向相对于内部件移动外部件，可在纵向方向上改变内部件的第二端和外部件的第二端之间的相互位置。

本发明的根本思想是在套管钻井的钻凿部件的连接和拆卸，即螺纹连接中，通过包括在钻岩机中的旋转装置为内杆和外管产生必需的旋转运动。适配器布置成将由旋转装置产生的旋转力传递至钻凿部件。此外，适配器包括能够在螺纹连接期间彼此无关地将旋转力传递至内杆或外管。适配器包括内部件和布置成围绕内部件的外部件。可从钻岩装置的旋转装置将旋转力提供给内部件中的第一端的部分。内部件的最远端，即第二端具有可旋转的连接装置，典型地为连接螺纹，其用于将内部件连接至内杆。外部件为围绕内部件布置的细长管。外管的最远端，即第二端具有可螺纹连接的连接装置，其典型地具有连接 螺纹，其用于将外部件连接至外管。在外部件和内部件之间存在能够将旋转力从内部件传递至外部件的一个或多个连接装置。因此，适配器始终包括内部件中的至少一个第一相对表面和在外部件中的至少一个第二相对表面。此外，外部件布置成沿纵向方向相对于内部件可移动，在该情况下，可通过一个或多个致动器移动外部件，以便将外部件的最远端处的连接装置移得比内部件的最远端处的连接装置更靠外。

本发明的优点在于，在处理钻井设备中可利用钻岩机的标准旋转装置，以及因此不再需要用于旋转外管的单独的旋转单元。因此，可使钻井单元的结构比以前更简化、更轻便以及更紧凑。此外，由于适配器布置在钻岩机的旋转轴上，故该适配器很好地相对于待连接和待拆卸的钻井设备居中。此外，可由钻岩机的旋转装置产生的旋转力显然大于由单独的旋转单元所产生的旋转力。例如，适配器的优点为其具有简单可靠的结构。通过在适配器的前位置和后位置之间移动适配器的外部件，能够选择螺纹连接以确定是否将旋转力从适配器引向内杆或引向外管。

根据本发明的实施例的基本思想在于，内部件为钻岩机的一部分。在该情况下，内部件的第一端，即内部端具有诸如齿状物等的传递装置，其能够从旋转装置接受旋转力。

根据本发明的实施例的基本思想在于，内部件为单独件，其能够通过螺栓连接等连接至钻岩机的钻柄或连接至相应的旋转元件。在该情况下，适配器不需要对钻岩机的基本结构进行任何本质的改变。

根据本发明的实施例的基本思想在于，旋转力布置成通过一个或多个花键和相应地通过一个或多个细长键槽从内部件传递至外部件。键槽可形成在内部件的外表面上，花键可连接至外部件的内表面，或者可选地，花键和键槽与上述声明相反地布置。由花键和键槽形成的 布置能够传递旋转力，但是却允许花键沿轴向方向在细长键槽中移动。键槽可基本为轴向槽。在一些情况下，键槽可相对于轴向方向稍微倾斜，或者键槽可以是稀疏的螺旋线。基于花键和键槽的连接装置较简单地形成，该连接装置为便宜的并具有耐用的结构。

根据本发明的实施例的基本思想在于，适配器中的内部件的外表面的截面和外部件的内表面的截面形成为使得相对于绕纵向轴线的旋转力在上述件之间形成形状锁定。然而，表面的截面形状允许内部件和外部件沿纵向轴线的方向移动。实际上，相对表面可成形为使得其具有非圆形的截面，诸如椭圆形截面或带角的截面。在该情况下，内部件和外部件之间的相对表面形成连接装置。

根据本发明的实施例的基本思想在于，适配器包括两个或多个致动器，诸如压力介质操作气缸等等，其布置成通过传输件相对于内部件移动外部件。传输件为细长件，其横向于外部件布置并连接至外部件，以便允许其传递轴向传输力。另一方面，旋转力不在外部件和传输件之间传递，并且该传输件可通过例如轴承安装在外部件中。

根据本发明的实施例的基本思想在于，适配器的外部件在外部件的至少一个位置处沿轴向锁定在内部件内。锁定可形成在花键和键槽的终端位置，或者锁定可基于卡口锁定、螺钉锁定或另外的适当的锁定机构。当外部件处于该锁定位置时，引向内部件的轴向力可被传递至外部件。在该情况下，包括在钻井单元中的进给机构可在钻岩机中产生反作用力，该反作用力通过适配器传递至外管。该特征可用于套管钻井的特殊应用中，其中，在钻凿后，或者在钻凿和进给其他支承装置后从钻孔中移出外管。优点是不需要单独的退出元件以退出外管，而是可使用钻井单元的标准进给机构。此外，进给机构为从钻孔中退出外管提供足够的作用力。

根据本发明的实施例的基本思想在于，通过包括在适配器中的致 动器将外管从钻孔中退出。在该情况下，致动器产生退出市所需的作用力。另外可选地，适配器的致动器将退出所需的作用从进给机构传递至外管。

根据本发明的实施例的基本思想在于，钻岩装置包括用于为内杆提供冲击脉冲的冲击装置。冲击脉冲还可从内部钻头传递至环状钻头。

根据本发明的实施例的基本思想在于，所述内部件中的外表面的截面形状和所述外部件中的内表面的截面形状如此布置，以相对于围绕纵向轴线的旋转在所述内部件和所述外部件之间提供形状锁定。

附图说明

将在附图中更加详细地描述本发明的实施例，其中

图1为具有根据本发明的钻井单元的钻机的示意性侧视图，

图2为根据本发明的适配器的示意性透视图，

图3为包括在根据本发明的适配器中的传输件、内部件和外部件的示意性视图，

图4为包括在根据本发明的适配器中的内部件和外部件以及它们之间的连接装置的沿线C-C的示意性剖视图，

图5为包括在根据本发明的适配器中的内部件、外部件、连接装置和传输件的示意性和侧视剖视图，

图6为外部件的示意性和侧视剖视图，

图7为钻岩机的示意性视图，

图8为根据本发明的适配器的连接装置的一部分的示意性和剖视图，

图9和10为根据本发明的适配器的操作的示意性侧视图，和

图11为内部件和外部件的合适形状的示意性和剖视图。

为了清楚起见，附图以简化方式表示本发明的一些实施例。相同的附图标记表示附图中的相同的部分。

具体实施方式

图1表示具有用于套管钻井的设备的钻机1。钻机1的运输器2可具有一个或多个钻臂3和一个或多个辅助臂4。在钻臂3的最远端处，有钻井单元5，其可包括进给梁6、钻岩机7和进给梁6上的进给机构8，用于沿方向A向前和沿方向B向后移动钻岩机7。钻岩机7可包括旋转装置9，该旋转装置9用于围绕钻井所使用的钻井部件的纵向轴线对其进行旋转。在一些情况下，钻岩机7还可包括冲击装置，该冲击装置用于为钻井部件提供冲击脉冲以破碎岩石。在套管钻井中，使用两倍的设备。钻岩机7的旋转装置9旋转内杆10，该内杆10的最远端具有形成钻孔12的内部钻头11。内部转头11还布置为将外管13拉入钻孔12中。外管13还可例如通过内部钻头11在钻孔12中旋转。外管13围绕内杆10布置。外管13的最远端具有环状钻头14，该环状钻头14铰大由内部钻头11形成的钻孔12。

在钻凿长的钻孔12中，采用延伸钻井设备进行钻凿，其中，沿纵向方向依次布置两个或多个钻凿部件。由于在套管钻井中使用两倍的设备，故必须能够在延伸钻井设备钻凿中处理内杆10和外管13。为此，钻机1的辅助臂4可具有操纵器14，该操纵器14可包括臂15和夹紧构件16，用于每次从设置在辅助臂4中的设备库18中将延伸钻井设备的一组17传递至钻井单元5。延伸钻井设备的组17可包括已经布置在其内部的一个外管13和一个内杆10，在该情况下，可同时移动钻凿部件。操纵器14可以是能够由操作员控制的手动装置。辅助臂4可具有用于操作员的笼19。可选地，操纵器14和设备库18可以是自动装置，该自动装置的操作由一个或多个控制单元所控制。

钻井单元5还可包括适配器20，该适配器20可布置在钻岩机7和钻井设备之间。适配器20可包括内部件21，旋转力可从钻岩机7的旋转装置9传递至该内部件21。适配器20还括外部件22，该外部件22为围绕内部件21布置的管状件。旋转力可从内部件21传递至外部件22。此外，适配器20可包括用于沿轴向方向移动外部件22的一个或多个致动器 23。致动器23例如可以是压力介质操作的气缸，该气缸的第一端连接至钻岩机7或承载器，并且气缸的第二端可通过合适的传递装置连接至外部件22的后部。下面将结合附图更加详细地描述适配器20的结构和操作。

从图1进一步示出，进给梁6的前端可具有用于不可移动地锁定至少一个钻凿部件的一个或多个保持装置24。在该情况下，至少当套管钻井的部件彼此分离时，可通过螺纹利用该保持装置24。保持装置24可包括至少一对保持夹爪或相似的锁定构件。

套管钻井还可应用于钻凿孔以用于测试和研究目的。在该情况下，外管可支承钻孔和保护待布置在钻孔中的测量装置。

图2所示的适配器20包括两个致动器，即第一致动器23a和第二致动器23b，它们以非常简化的方式表示在附图中。可为细长件的传输件25可布置在外部件22的第一端的部分中。传输件25的端部可具有连接点26a和26b，该致动器23a和23b可连接至该连接点26a和26b。传输件25的中间部分可具有连同轴承构件的连接开口27，以便旋转力不从外部件22传递至传输件25。可选地，连接开口27的尺寸形成为使得其不与外部件22的外表面相接触，而是在连接开口27和外部件22之间存在间隙3，如图3所示。然而，传输件25连接至外部件22，以使致动器23a、23b产生的传递力能够传递至外部件22。一个可选实施例是将传输件25布置在两个凸缘34a、34b之间，该两个凸缘34a、34b可设置在外部件22的第一端22的部分中，如图6所示。此外，传输件25可由连接在一起的两个部分25a、25b形成，如图2和3所示。

从图2进一步示出，外部件22的第二端22b可具有外部连接螺纹28，该外部连接螺纹28可使外部件连接至用于套管钻井的外管13。在图2中，在外部件22内的内部件21以虚线表示。内部件21的第一端21a可包括固定凸缘29或相似物，用于将内部件21连接至钻岩机7的钻柄或相似 的旋转构件。内部件21的第二端可包括内部连接螺纹，用于将内部件21连接至用于套管钻井的内杆10。应注意的是，内杆10可由实心材料制成，其可包括一个或多个细长槽或者其可具有明显的管状截面。

图4表示适配器沿线C-C的剖面图。在外部件的第一端22a的部分中，外部件22的内表面可具有一个或多个凹部31，其中可布置一个或多个花键32。该花键32可通过胶粘剂、螺钉、焊接或其它适当的方式连接至凹部31。此外，内部件21的外表面可包括一个或多个键槽33，该键槽33可从内部件21的第一端部21a的部分延伸至其第二端部21b的部分。可根据待传递的旋转力的大小选择花键32和键槽33的数目，但是例如在大多数情况下，四个花键32和四个键槽33已经足够了。

图5为包括在适配器中的内部件21和外部件22的一部分以及它们之间的连接构件的剖视图。在这种情况下，连接构件包括连接至外部件22的花键32。内部件21具有细长键槽33。外部件22的第一端22a还可包括凸缘34a和34b，在凸缘34a和34b之间可布置传输件25。外部件的第一端22a还可包括盖子36，该盖子36可防止花键相对于凹部31轴向移动。从图5进一步示出，内部件21可以是管状件或具有一个或多个沟槽35，用于为钻头供应冲洗介质。

图6为外部件22的一部分的剖视图。如该图所示，外部件的第一端22a可具有凹部31，在该凹部31中可布置花键32。另一方面，花键32也可布置在外部件22的第二端22b处。此外，花键32可基本上与外部件22一样长。此外，花键32和键槽33可与上述声明相反地相对于内部件21和外部件22布置。

图7为钻岩机7的高度简化说明，其中内部件21为钻凿结构的一部分。内部件21的第一端21a具有诸如齿状物的传递构件37，用于将旋转力从旋转装置9传递至内部件21。此外，内部件21的第一端21a可包括冲击表面38，用于接收来自包括在钻岩机7中的冲击装置39的冲击脉 冲。图7所示的内部件21可由实心材料制成，其外圆周可具有一个或多个突出部40，该突出部40作为内部件21和外部件22之间的连接装置。

图8表示内部件21和外部件22的截面的一部分。如图所示，外部件22的内表面可包括一个或多个槽41，在槽41中布置有内部件21的突出部40。突出部40和槽41能够以适当的方式形成形状和尺寸，并可根据需要选择它们的数目。

图9和10表示套管钻井中的适配器的操作。当延伸钻井设备被延伸时，延伸钻井设备的一组17布置在钻岩机7和已经在钻孔12中的钻井设备42之间。此后，驱动属于适配器20的外部件22至其最靠前的位置，在该情况下，外部件22的最远端处的连接构件28延伸超过内部件21中的连接构件43，如图9所示。此后，进给装置8朝延伸钻井设备的组17移动钻岩机7，外部件22的连接构件28连接至外管13中的连接构件44。然后，外管13通过旋转装置9连接至已经在钻孔12中的外管。此后，将外部件22拉入图10所示的其后方位置，利用旋转装置9连接内部杆10的连接构件45。在一些情况下，可首先连接内部设备，然后连接外部设备。在连接和分离期间可使用图1所示的保持装置24以辅助上述操作。图9和10还示出支承装置46，其用于相对平行于钻井轴线47的外管13的内表面使内杆10居中。

图11所示的剖面图示出内部件21和外部件22的截面也可成形为使得它们可以绕它们纵向轴线传递旋转力，而同时允许沿轴线方向彼此相对移动。在这种情况下，内部件21的外表面和外部件的内表面形成用于传递旋转力的一对连接装置。

应注意的是，在本申请中，术语“岩石”表示岩石、软的岩石材料和任何其他的地壳材料。

还可组合本申请中所示的特征以形成所需的组合。在一些情况下， 甚至可与另一特征无关地同样地使用所述特征。

附图和相关说明仅意图表示发明原理。本发明的细节可在权利要求的范围内进行变化。

Claims (7)

1.一种用于套管钻井的方法，该方法包括：

通过包括在钻岩机(7)中的旋转装置(9)旋转内杆(10)来钻凿岩石，并通过至少一个钻头(11、14)来破碎岩石，并在钻凿期间将外管(13)拉入钻孔(12)；

通过沿纵向方向依次连接两个或多个内杆(10)，并通过沿纵向方向依次相应地连接两个或多个外管(13)，从而形成延伸钻井设备；

当所述内杆(10)连接在一起时或者当所述延伸钻井设备被拆卸时，围绕所述内杆(10)的纵向轴线旋转所述内杆(10)：

当所述外管(13)连接在一起时或者当所述延伸钻井设备被拆卸时，围绕所述外管(13)的纵向轴线旋转所述外管(13)；

非同时执行连接所述内杆(10)和所述外管(13)所需的旋转；

当所述延伸钻井设备被装配或被拆卸时，通过所述钻岩机(7)的所述旋转装置(9)和连接至该旋转装置的适配器(20)，旋转所述内杆(10)和所述外管(13)，

其特征在于：

在所述延伸钻井设备的连接和拆卸中利用所述适配器(20)，该适配器(20)包括待连接至所述内杆(10)的内部件(21)和待连接至所述外管(13)的外部件(22)；

为所述适配器(20)的所述内部件(21)提供旋转力，并将其从所述内部件(21)传递至所述外部件(22)；和

沿轴线方向相对于所述内部件(21)移动所述外部件(22)，以选择由所述旋转装置产生的旋转力是否影响所述内杆(10)或所述外管(13)。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

在钻凿之后从所述钻孔(12)退出所述外管(13)；和

利用包括在钻井单元中的进给机构(8)，以退出所述外管(13)。

3.一种钻井单元，其包括：

钻岩机(7)，其包括用于绕其纵向轴线旋转至少一个内杆(10)的至少一个旋转装置(9)；

进给机构(8)，其用于移动所述钻岩机(7)；和

进给梁(6)，其支承所述钻岩机(7)，且所述钻岩机在该进给梁上朝待钻凿的岩石向前移动和向后移动；

适配器(20)，该适配器布置成将所述钻岩机(7)的所述旋转装置(9)所产生的旋转力传递至所述内杆(10)；

所述适配器(20)包括细长内部件(21)，该内部件的第一端(21a)接收由所述旋转装置(9)所产生的旋转力，其第二端(21b)可连接至所述内杆(10)；

所述适配器(20)还包括外部件(22)，该外部件为细长管状件，并布置成至少部分围绕所述内部件(21)，其第二端(22b)可连接至用于套管钻井的所述外管(13)，

其特征在于：

所述内部件(21)通过至少一个连接装置(32、33；40、41)连接至所述外部件(22)，所述连接装置布置成在所述内部件(21)和所述外部件(22)之间传递旋转力，而与所述内部件和所述外部件的相互纵向位置无关；和

所述适配器(20)包括至少一个致动器(23)，其用于沿纵向方向相对于所述内部件(21)移动所述外部件(22)，所述内部件的第二端(21b)和所述外部件的第二端(22b)之间的相互位置可在纵向方向上发生改变。

4.如权利要求3所述的钻井单元，其特征在于：

所述内部件(21)为连接至旋转构件的单独件，该旋转构件由所述钻岩机(7)的所述旋转装置(9)旋转。

5.如权利要求3所述的钻井单元，其特征在于：

所述内部件(21)为所述钻岩机(7)的一部分；和

所述内部件(21)包括旋转构件(37)，以接收来自所述旋转装置(9)的旋转力。

6.如前述权利要求3至5中任一项所述的钻井单元，其特征在于：

所述钻岩机(7)包括至少一个冲击装置(39)，用于为所述内部杆(10)生成冲击脉冲。

7.如前述权利要求3至5中任一项所述的钻井单元，其特征在于：

所述进给梁(6)的前端部分包括至少一个保持装置(24)；和

所述保持装置(24)布置成至少当用于套管钻井的部件之间的连接断开时将至少一个钻凿部件锁定为不可移动。

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