УСТРОЙСТВО И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРУБНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ Российский патент 2015 года по МПК E21B19/06 

Бурение подземных скважин требует сборки колонн труб, таких как обсадные и бурильные колонны, каждая из которых содержит несколько тяжелых удлиненных трубных сегментов, проходящих вниз от буровой установки в ствол скважины. Колонна труб состоит из нескольких свинчиваемых трубных сегментов.

Обычно для соединения трубных секций для того, чтобы образовать трубную колонну, рабочие применяют трудоемкий способ. Этот способ предусматривает использование рабочих, обычно бурового рабочего, заводящего конец верхней трубы, в муфту нижней, и нескольких операторов, таких как операторы, работающие с трубными ключами. Заводящий рабочий находится на высоте на балконе буровой вышки, чтобы вручную выравнивать одиночный трубный сегмент с существующей трубной колонной. Это по существу опасное положение из-за высоты, на которой находится заводящий рабочий, а также из-за большого числа подвижных частей в буровой вышке. Различные операторы обеспечивают выравнивание и соединение одиночного трубного сегмента с существующей трубной колонной на полу буровой вышки. Операторы, работающие с трубными ключами, используются трубные ключи для вращения трубного сегмента, свинчивая его с трубной колонной. Хотя этот способ и дает эффект, он опасен, обременителен и неэффективен. Кроме того, трубные ключи требуют участия нескольких рабочих для правильного захвата трубного сегмента и соединения трубного сегмента с трубной колонной. Таким образом, этот способ является трудоемким и, следовательно, дорогостоящим. Кроме того, использование трубных ключей может потребовать использования подмостей или других подобных сооружений, создающих угрозу для жизни и здоровья рабочих.

Согласно другим способам для сборки трубных колонн предложен спускной инструмент, в котором используется обычный блок верхнего привода. Инструмент для спуска содержит устройство управления, захватывающее трубный сегмент и поднимающее трубный сегмент вверх в механизированный элеватор, который для удерживания трубной секции использует подаваемую энергию. Элеватор соединен с верхним приводом, вращающим элеватор. Таким образом, трубный сегмент вступает во взаимодействие с трубной колонной, а верхний привод вращает трубный сегмент и свинчивает его с трубной колонной.

Хотя этот инструмент обеспечивает определенные преимущества по сравнению с более распространенными системами, используемыми для сборки трубных колонн, ему также присущи недостатки. Один из этих недостатков заключается в том, что захватные плашки элеватора могут оставлять на трубном сегменте задиры и царапины. Еще один недостаток заключается в том, что рычаг обычного устройства для манипуляции не может снимать однотрубки и укладывать их на трубную палубу без участия рабочего.

Для устранения этих недостатков предложены другие инструменты. Однако эти инструменты часто не могут обращаться с трубами неодинаковых размеров. При манипулировании трубами, не идеальными в размерном отношении, например, характеризующимися разной толщиной стенки или неидеальной цилиндричностью или округлостью, способность этих инструментов надлежащим образом захватывать трубы снижается.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение может обеспечить несомненные преимущества, включая устранение необходимости использовать заводящего рабочего, тем самым повышая безопасность работ на установке для бурения нефтяных скважин, а также ограничение или полное устранение задиров и царапин или деформации труб при помещении их в предлагаемый спускной инструмент, по сравнению с традиционными инструментами.

Настоящее изобретение относится к устройству управления трубными элементами, которое содержит инструмент для спуска труб, содержащий элемент с прорезями, содержащий несколько удлиненных прорезей, каждая из которых проходит, по меньшей мере, частично в направлении, по существу параллельном продольной оси трубного элемента, управление которым осуществляют, элемент с выточками, функционально соединенный с элементом с прорезями и содержащий на своей поверхности несколько выточек, каждая из которых проходит между глубоким концом и мелким концом, и несколько скользящих элементов, функционально соединенных с несколькими удлиненными прорезями и несколькими выточками, выполненных с возможностью перемещения в том же направлении, что и трубный элемент во взаимодействии с ними, так что инструмент захватывает трубный элемент, и элеватор трубных элементов, выполненный с возможностью функционального соединения трубного элемента с инструментом для спуска труб, причем инструмент для спуска труб выполнен с возможностью захвата каждого трубного элемента для обеспечения несущей способности с тем, чтобы воспрепятствовать или предотвратить падение трубного элемента или трубной колонны, прикрепленной к нему, независимо от действия элеватора трубных элементов.

Согласно одному конкретному варианту осуществления элеватор трубных элементов соединен с инструментом для спуска труб и предназначен для передачи одного или нескольких трубных элементов (например, одного, двух или даже трех за раз) между источником трубных элементов и инструментом для спуска труб.

Согласно другим вариантам осуществления инструмент для спуска труб и элеватор трубных элементов соединены более чем парой исполнительных механизмов. Согласно некоторым вариантам осуществления не более чем пара исполнительных механизмов функционально соединена с штропами, обеспечивающими расположение трубного элемента в инструменте для спуска. Согласно другим вариантам осуществления возможны две пары исполнительных механизмов, единственный исполнительный механизм или другие количества или даже другие типы исполнительных механизмов.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения каждый из нескольких скользящих элементов отводится, по меньшей мере, частично в соответствующую выточку, когда устройство управления трубными элементами находится в положение захвата для захвата трубного элемента.

Согласно одному варианту осуществления устройство для манипуляции трубными элементами содержит также механизм предварительного нагружения, реверсивно прикладывающий силу к трубному элементу, захваченному в инструменте для спуска труб, чтобы зажать трубный элемент. Снятие этой силы предварительного нагружения, факультативно, с помощью дополнительного усилия высвобождения, прикладываемого в другом направлении, прекращает захват.

В соответствии с еще одним вариантом осуществления изобретения, предлагается способ управления трубным элементом во время операции крепления ствола скважины обсадными трубами или бурения, предусматривающий захват элеватором трубных элементов части поверхности трубного элемента, использование элеватора трубных элементов для расположения трубного элемента, управление которым осуществляют, в инструменте для спуска, и захват по меньшей мере второй, другой части поверхности трубного элемента при помощи части инструмента для спуска для того, чтобы удерживать трубный элемент за счет направленной вниз силы, создаваемой массой трубного элемента или трубной колонны, прикрепленной к нему, взаимодействующей с частью инструмента для спуска во второй, другой части поверхности.

Согласно некоторым вариантам осуществления предлагаемый способ предусматривает отсоединение элеватора трубных элементов после захвата и удерживания трубного элемента инструментом для спуска. В некоторых случаях отсоединение элеватора трубных элементов происходит автоматически без дальнейшего вмешательство человека после достижения инструментом для спуска положения захвата.

Согласно некоторым вариантам осуществления предлагаемый способ предусматривает спуск трубного элемента, захваченного инструментом для спуска, на несущую поверхность с тем, чтобы дальше поджать конец трубного элемента в выточку в инструменте для спуска. Тем самым, захватное устройство инструмента для спуска могут преимущественно располагать в положение сцепления для того, чтобы захватить трубный элемент.

В соответствии с еще одним широким аспектом настоящего изобретения, предлагается способ управления трубным элементом во время операции крепления ствола скважины обсадными трубами или бурения, предусматривающий: использование инструмента для спуска для взаимодействия с трубной секцией, содержащей от одного до трех трубных элементов, и ее захвата, прикладывание вращающей силы к трубной секции, по меньшей мере одна поверхность которой сцеплена с частью инструмента для спуска и захвачена им, чтобы, по меньшей мере, частично отсоединить трубную секцию или ее часть, использование элеватора трубных элементов для взаимодействия с трубной секцией или ее частью и ее захвата, и подъем трубной секции относительно инструмента для спуска для того, чтобы отделить трубную секцию от трубной колонны и отсоединить сцепленную и захваченную часть поверхности трубного элемента от части инструмента для спуска. Согласно одному варианту осуществления способ предусматривает спуск инструмента для спуска и одновременный подъем трубной секции на относительно большее расстояние, чем расстояние, на которое опускают инструмент для спуска, чтобы обеспечить отделение трубной секции от оставшейся трубной колонны.

В соответствии с еще одним широким аспектом настоящего изобретения, предлагается способ управления трубным элементом во время операции крепления ствола скважины обсадными трубами или бурения, предусматривающий: использование инструмента для спуска для взаимодействия с трубной секцией, содержащей от одного до трех трубных элементов, прикладывание вращающей силы к трубной секции, по меньшей мере одна поверхность которой захвачена и зажата хомутной частью, характеризующейся радиальной формой, инструмента для спуска, чтобы, по меньшей мере, частично отсоединить трубную секцию от трубной колонны, использование элеватора трубных элементов для взаимодействия с трубной секцией или ее частью и ее захвата, и перемещение хомутной части инструмента для спуска в направлении, характеризующимся, по меньшей мере, аксиальной составляющей вдоль захваченной трубной секции, для отсоединения хомутной части инструмента для спуска по меньшей мере от одной части поверхности трубной секции. Хомутная часть, характеризующаяся радиальной формой, может содержать секции или части каждого из катящихся или скользящих элементов, с выточками и прорезями. Согласно одному варианту осуществления способ предусматривает полное извлечение трубной секции из устройства управления трубными элементами.

В соответствии с еще одним широким аспектом настоящего изобретения, предлагается инструмент для спуска труб, содержащий: элемент с прорезями, содержащий несколько удлиненных прорезей, каждая из которых проходит, по меньшей мере, частично в направлении, по существу параллельном продольной оси трубного элемента, с которым выполняют манипуляции, элемент с выточками, функционально соединенный с элементом с прорезями, содержащий несколько выточек, причем выточки проходят от глубокого конца к мелкому концу, и несколько скользящих элементов, функционально соединенных с несколькими удлиненными прорезями и несколькими выточками, причем захватная часть инструмента для спуска выполнена с возможностью сцепления посредством сил трения по меньшей мере с одной поверхностью трубного элемента, достаточного для прикладывания к трубному элементу крутящего момента исключительно посредством захватный части.

Согласно некоторым вариантам осуществления несколько удлиненных прорезей зафиксированы относительно нескольких выточек. Согласно другим вариантам осуществления инструмент для спуска выполнен с возможностью сцепления посредством сил трения с внутренней поверхностью трубного элемента. Согласно некоторым вариантам осуществления каждый из нескольких скользящих элементов отводится частично в соответствующую прорезь и выточку, когда устройство для манипуляции трубными элементами находится в высвобожденном положении, чтобы не захватывать трубный элемент. Согласно другим вариантам осуществления несколько скользящих элементов захватывают трубный элемент при перемещении трубного элемента от инструмента для спуска. Согласно еще одним вариантам осуществления инструмент для спуска труб функционально связан с устройством управления, выполненный с возможностью подачи трубного элемента в инструмент для спуска или извлечения трубного элемента из него, чтобы обеспечить повторную загрузку инструмента для спуска следующим трубным элементом.

В соответствии с еще одним широким аспектом настоящего изобретения, предлагается элеватор трубных элементов, содержащий компонент элеватора с прорезями, содержащий несколько удлиненных прорезей, каждая из которых проходит, по меньшей мере, частично в направлении, по существу параллельном продольной оси трубного элемента, управление которым осуществляют, компонент элеватора с выточками, функционально соединенный с элементом элеватора с прорезями и содержащий на своей поверхности несколько выточек элеватора, которые проходят между глубоким концом и мелким концом, и несколько скользящих и/или катящихся компонентов элеватора, функционально соединенных с соответствующей одной из удлиненных прорезей элеватора и одной из выточек элеватора, причем каждый из нескольких скользящих и/или катящихся компонентов элеватора отводится, по меньшей мере, частично в элементе элеватора с прорезями, будучи смещенным от мелкого конца соответствующей выточки элеватора.

Согласно некоторым вариантам осуществления элеватор трубных элементов является элеватором однотрубок, двухтрубок или трехтрубок. Согласно другим вариантам осуществления несколько скользящих и/или катящихся компонентов элеватора отводятся, по меньшей мере, частично по меньшей мере в одну прорезь компонента элеватора с прорезями, когда элеватор захватывает трубный элемент. Согласно другим вариантам осуществления элеватор трубных элементов соединен с инструментом для спуска посредством одного или нескольких исполнительных механизмов, не содержащих штроб. Согласно другим вариантам осуществления элеватор трубных элементов выполнен с возможностью перемещения трубного элемента устройством линейного отвода.

В соответствии с еще одним широким аспектом настоящего изобретения, предлагается плашка клинового захвата в полу буровой, предназначенная для удерживания трубного элемента или трубной колонны, содержащая компонент с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой, содержащий несколько удлиненных прорезей, каждая из которых проходит, по меньшей мере, частично в направлении, по существу параллельном продольной оси трубного элемента, управление которым осуществляют, компонент с выточками плашки клинового захвата в полу буровой, функционально соединенный с элементом с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой и содержащий на своей поверхности несколько выточек плашки клинового захвата в полу буровой, которые проходят между глубоким концом и мелким концом, и несколько захватных компонентов плашки клинового захвата в полу буровой (например, катящихся и/или скользящих), каждый из которых функционально соединен с соответствующей одной из удлиненных прорезей плашки клинового захвата в полу буровой прорези и одной из выточек плашки клинового захвата в полу буровой, причем каждый из нескольких захватных компонентов плашки клинового захвата в полу буровой отводится, по меньшей мере, в части компонента с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой, будучи смещенным от мелкого конца соответствующей выточки плашки клинового захвата в полу буровой.

Согласно некоторым вариантам осуществления плашка клинового захвата в полу буровой реверсивно крепится к полу буровой вышки. Согласно другим вариантам осуществления плашка клинового захвата в полу буровой расположена таким образом, что может неподвижно крепиться к полу буровой вышки. Согласно другим вариантам осуществления каждый из нескольких компонентов плашки клинового захвата в полу буровой конструктивно исполнен для отвода, по меньшей мере, частично по меньшей мере в одну прорезь компонента с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой, когда плашка клинового захвата в полу буровой находится в положении захвата для захвата трубного элемента или трубной колонны, в то время как согласно другим вариантам осуществления компоненты плашки клинового захвата в полу буровой отводятся только частично, и при этом некоторая часть по-прежнему выступает из выточки за компонент с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой и через него. Согласно другим вариантам осуществления плашка клинового захвата в полу буровой предназначена для обеспечения несущей способности для трубного элемента или трубной колонны, подвешенной к ней. Согласно другим вариантам осуществления часть плашки клинового захвата в полу буровой предназначена для реверсивного соединения и вращения при захвате вращающегося трубного элемента или трубной колонны. Согласно некоторым вариантам осуществления плашка клинового захвата в полу буровой выполнена с возможностью переключения между положением захвата и положением высвобождения гидравлически или пневматически. Кроме того, плашка клинового захвата в полу буровой может содержать блокировочный механизм для запирания плашки клинового захвата в полу буровой вокруг трубного элемента или трубной колонны. Согласно некоторым вариантам осуществления плашка клинового захвата в полу буровой содержит также центрирующий механизм, предназначенный для центрирования трубной колонны с центром ствола скважины. Согласно другим вариантам осуществления плашка клинового захвата в полу буровой содержит также систему блокировки, предназначенную для предотвращения высвобождения одного или нескольких трубных элементов, захваченных плашкой клинового захвата в полу буровой, пока не будет подтверждения, что один или несколько трубных элементов захвачены функционально соединенным спускным инструментом или элеватором трубных элементов.

Кроме того, настоящее изобретение относится к способам соединения и отсоединения трубных элементов плашкой клинового захвата в полу буровой, содержащей захватный узел, описанный в настоящем документе.

Следует понимать, что из последующего подробного описания, в котором путем иллюстрации показаны и описаны различные варианты осуществления изобретения, специалистам станут очевидными другие аспекты настоящего изобретения. Как будет понятно, изобретение может иметь другие и отличающиеся варианты осуществления, и ряд его деталей может изменяться в различных других отношениях в пределах сущности и объема настоящего изобретения. Соответственно, фигуры и подробное описание должны рассматриваться как иллюстрация, а не ограничение объема настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Настоящее изобретение легче всего понять из приведенного ниже подробного описания, если читать его со ссылками на прилагаемые фигуры. Следует подчеркнуть, что в соответствии со стандартной практикой, принятой в отрасли, различные признаки начерчены не в масштабе. Фактически, для понятности рассмотрения размеры различных признаков могут быть произвольно увеличены или уменьшены.

На Фиг.1A представлен вид в перспективном изображении, по меньшей мере, части устройства в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения.

На Фиг.1B-G представлены виды в перспективном изображении устройства, показанного на Фиг.1A, на последующих стадиях операции.

На Фиг.2 представлен разрез части устройства, показанного на Фиг.1A-G.

На Фиг.3A-D представлены частичные разрезы устройства, показанного на фиг.1A-G, в последовательности рабочих стадий.

На Фиг.4 представлено схематическое представление устройства в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения.

На Фиг.5A представлена блок-схема, по меньшей мере, части способа в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения.

На Фиг.5B представлена блок-схема, по меньшей мере, части способа в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения.

На Фиг.5C представлена блок-схема, по меньшей мере, части способа в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения.

На Фиг.6 представлен разрез части варианта осуществления устройства, показанного на Фиг.2.

На Фиг.7A и 7B представлены разрезы варианта осуществления устройства, показанного на Фиг.6.

На Фиг.8 представлены разрез части захватного узла клинового захвата в полу буровой в соответствии с одним или несколькими аспектами настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Следует понимать, что в последующем описании предлагается много различных вариантов осуществления или примеров для реализации различных признаков разных вариантов осуществления изобретения. Для упрощения настоящего раскрытия ниже описаны конкретные примеры компонентов и компоновок. Они являются, естественно, лишь примерами и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Кроме того, в настоящем описании в разных примерах цифровые и/или буквенные позиции могут повторяться. Это повторение призвано служить цели упрощения и понятности и само по себе не диктует взаимосвязь между различными рассмотренными вариантами осуществления и/или конструктивными исполнениями. Более того, выполнение некоего первого признака поверх некоего второго признака или на нем в последующем описании может включать варианты осуществления изобретения, в которых эти первый и второй признаки выполнены в непосредственном взаимодействии, и может также включать варианты осуществления изобретения, в которых между первым и вторым признаками могут располагаться дополнительные признаки, вследствие чего первый и второй признаки не могут находиться в непосредственном взаимодействии. По всему описанию термины «труба» и «трубный элемент» обычно используются взаимозаменяемо.

На Фиг.1 представлен вид в перспективе, по меньшей мере, части устройства 100 управления трубными элементами в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Устройство 100 содержит инструмент 110 для спуска труб, элеватор 120 трубных элементов и - согласно некоторым вариантам осуществления - механизм 130 наклона штроп.

Инструмент 110 для спуска труб выполнен с возможностью приема и, по меньшей мере, временного захвата, сцепления посредством сил трения или удержания иным образом трубного элемента 105. Например, инструмент 110 для спуска труб может быть конструктивно выполнен с возможностью зацепления и захвата внутренней поверхности трубного элемента 105, наружной поверхности трубного элемента 105 или как внутренней, так и наружной поверхности трубного элемента 105 или части их. Степень, в какой инструмент 110 для спуска сцепляется посредством сил трения и удерживает трубу 105, может быть способной обеспечить несущую способность при зажиме трубы, чтобы воспрепятствовать или предотвратить падение трубы или трубной колонны независимо от действия связанного элеватора трубных элементов или факультативной связанной плашки клинового захвата в полу буровой. Инструмента 110 для спуска может быть достаточно для удержания безопасной рабочей нагрузки (БРН), составляющей примерно по меньшей мере 5 тонн. В пределах объема настоящего изобретения находятся и другие значения БРН для инструмента 110 для спуска, и предполагается, что спускной инструмент 110 может удерживать всю трубную колонну значительно большей массы, чтобы опустить трубную колонну для зажима одной или несколькими плашками клинового захвата в полу буровой или другими захватными устройствами. Захватное устройство, рассмотренное в настоящем описании в отношении инструмента для спуска, в равной степени применимо (и адаптировано для работы в связи с ними) к элеватору трубных элементов, захватному устройству в виде клиньев в полу буровой вышки или их любому сочетанию, так что захватное устройство или захватный узел могут образовывать в данном случае часть спускного инструмента, элеватора трубных элементов и плашки клинового захвата в полу буровой.

Степень, в какой инструмент 110 для спуска сцепляется посредством сил трения и зажимает (или удерживает) трубный элемент 105, предпочтительно может быть достаточной, чтобы прикладывать к трубному элементу 105 крутящую силу, которая может передаваться через инструмент 110 для спуска с верхнего привода или другого компонента трубной колонны через зажатую часть трубы или иным образом. Согласно одному примерному варианту осуществления изобретения крутящий момент, который может быть приложен к трубе 105, предпочтительно через захватные элементы инструмента 110 для спуска, составляет по меньшей мере примерно 5000 фунт-сил-футов, что может быть достаточным для свинчивания трубного элемента 105 и другого трубного элемента. Крутящий момент, который может быть приложен к трубному элементу 105, может дополнительно или альтернативно составлять по меньшей мере примерно 50000 фунт-сил-футов, что может быть достаточным для развинчивания трубного элемента 105, зажатого инструментом 110 для спуска, и другого прикрепленного трубного элемента. В пределах объема настоящего изобретения и другие значения крутящего момента между примерно 100 фунт-сил-футов и 80000 фунт-сил-футов или более, предпочтительно, примерно от 1,000 фунт-сил-футов до 50,000 фунт-сил-футов. Согласно одному варианту осуществления изобретения могут быть достигнуты значения крутящего момента от более 50000 фунт-сил-футов до примерно 80000 фунт-сил-футов, предпочтительно, примерно от 55,000 фунт-сил-футов до 75000 фунт-сил-футов, а согласно еще одному варианту осуществления изобретения - примерно от 60000 фунт-сил-футов до 70000 фунт-сил-футов, или любое сочетание этих значений выше 50000 фунт-сил-футов.

Трубный элемент 105 может быть элементом обсадной колонны ствола скважины, трубным элементом бурильной колонны, трубным элементом, трубным элементом с буртиком и/или другими трубными элементами или их сочетаниями. Трубный элемент 105 может представлять собой однотрубку или предварительно собранную двухтрубку или трехтрубку. Согласно одному примерному варианту осуществления изобретения трубный элемент 105 может быть одной секцией или содержать две или три секции трубы с буртиком или беззамковой трубы или трубы с резьбой, такой как используется как часть лифтовой, обсадной или бурильной колонны. Альтернативно, трубный элемент 105 может представлять собой или содержать секцию трубопровода, такого какой может использоваться при транспортировке жидких и/или текучих материалов. Альтернативно, трубный элемент 105 может представлять собой или содержать один или несколько других трубных конструктивных элементов. Трубный элемент 105 может иметь в сечении кольцевое пространство, характеризующееся по существу цилиндрической, прямоугольной или иной геометрической формой.

Согласно одному примерному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, часть инструмента 110 для спуска по существу аналогична инструменту для спуска труб или устройству для манипуляции трубными элементами, описанным в совместно переуступленном патенте США №7445050 под названием «Tubular Running Tool», дата подачи заявки 25 апреля 2007 года, и/или в патенте США №7552764 под названием «Tubular Handling Device», дата подачи заявки 4 января 2007 года. Например, один или несколько принципов действия, компонентов и/или других аспектов захватного устройства, описанного в вышеупомянутых противопоставленных материалах, могут реализовываться в одном или нескольких вариантах осуществления инструмента 110 для спуска, элеватора трубных элементов или клинового захвата в полу буровой вышки в пределах объема настоящего изобретения.

Инструмент 110 для спуска выполнен с возможностью зацепления верхним приводом или секцией или компонентом бурильной колонны или для взаимодействия с ними иным образом. Например, как схематически представлено в варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.1A, инструмент 110 для спуска может содержать стыковочное устройство 112, выполненное с возможностью соединения или стыковки иным образом со шпинделем, корпусом и/или иным компонентом верхнего привода или компонентом бурильной колонны. Согласно одному примерному варианту осуществления изобретения стыковочное устройство 112 содержит половину стандартного муфтово-замкового соединения, обычно используемого при буровых работах. Согласно еще одному примерному варианту осуществления изобретения инструмент 110 для спуска функционально, непосредственно или косвенно, например, посредством других соединительных компонентов, например, исполнительных механизмов и/или связующих элементов, соединен с элеватором 120 трубных элементов. В некоторых случаях инструмент для спуска труб и элеватор трубных элементов соединены посредством не более чем пары исполнительных механизмов. Исполнительные механизмы могут быть функционально связаны со связующими элементами, позволяющими располагать трубу в инструменте для спуска труб, и исполнительных механизмов может быть один или несколько. Следует, однако, отметить, что в пределах объема настоящего изобретения находятся и другие устройства сопряжения.

Элеватор 120 трубных элементов может представлять собой элеватор для однотрубок, двухтрубок или трехтрубок в зависимости от типа буровой установки и/или условий (условия) бурения или крепления скважины обсадными трубами. Кроме того, элеватор 120 трубных элементов выполнен с возможностью приема и, по меньшей мере, временного захвата, сцепления посредством сил трения или удержания иным образом трубного элемента 105. Например, элеватор 120 трубных элементов может быть выполнен с возможностью зажима или зом сцепления иным образом посредством сил трения с внутренней поверхностью трубного элемента 105, наружной поверхностью трубного элемента 105 или внутренней и наружной поверхностями трубного элемента 105 или частями их. Степень, в какой элеватор 120 сцепляется посредством сил трения или иным образом удерживает трубу 105, может быть достаточной для удерживания безопасной рабочей нагрузки (БРН), составляющей примерно по меньшей мере 5 тонн или по меньшей мере 15 тонн. Однако в пределах объема настоящего изобретения и другие значения БРН для элеватора 120 трубных элементов, в частности, в пределах массы любой имеющейся трубы.

Согласно одному примерному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, часть элеватора 120 трубных элементов по существу аналогична инструменту для спуска труб или другому манипулятору, описанным в совместно переуступленном патенте США №7445050 под названием «Tubular Running Tool», дата подачи заявки 25 апреля 2007 года, и/или в патенте США №7552764 под названием «Tubular Handling Device», дата подачи заявки 4 января 2007 года, или иным образом имеет один или несколько подобных аспектов или принципов работы. Элеватор 120 трубных элементов может альтернативно содержать несколько башмаков и/или иных фрикционных элементов, например, колес, выполненных с возможностью сдавливания в радиальном направлении или касания поверхности трубного элемента 105 и тем самым удержания трубы 105, среди других конструктивных исполнений в пределах объема настоящего изобретения. Предпочтительно, эта поверхность касания элементом элеватора 120 представляет собой наружную поверхность трубы.

Согласно другим вариантам осуществления изобретения элеватор 120 трубных элементов может характеризоваться конструктивным исполнением, подобным конструктивному исполнению инструмента 110 для спуска труб. Захватный узел инструмента 110 для спуска может быть адаптирован к элеватору 120 трубных элементов и функционально связанным с ним. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения плашка клинового захвата в полу буровой может быть функционально связана по существу с аналогичным захватным узлом. Например, элеватор 120 трубных элементов может содержать компонент элеватора с прорезями, содержащий несколько удлиненных прорезей, каждая из которых проходит, по меньшей мере, частично или полностью в направлении, параллельном или по существу параллельном продольной оси трубы, подлежащей свинчиванию и опусканию. Прорези могут иметь любую форму, такую как, например, круглую, полукруглую, эллиптическую, прямоугольную и т.д. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения с элементом элеватора с прорезями функционально связан компонент элеватора с выточками. Компонент элеватора с выточками может содержать на своей поверхности несколько выточек, проходящих между глубоким концом и мелким концом. Эти выточки предпочтительно соответствуют или совпадают с прорезями компонента элеватора с прорезями. Кроме того, элеватор 120 трубных элементов содержит несколько компонентов качения или скольжения элеватора, функционально связанных с несколькими прорезями и выточками. Эти несколько компонентов качения или скольжения элеватора могут отводиться, по меньшей мере, в части элемента элеватора с прорезями, находясь на глубоком конце соответствующей выточки элеватора. Каждый из компонентов качения или скольжения элеватора может отводиться, по меньшей мере, частично, а в некоторых случаях полностью в прорези компонента элеватора с прорезями, когда элеватор зажимает трубу. В частично отведенном положении захватные компоненты элеватора по-прежнему частично выступают из выточки через элемент элеватора с прорезями для зацепления или касания трубы, конец которой расположен в элеваторе. Кроме того, будучи смещенными от глубокого конца соответствующей выточки элеватора, несколько компонентов качения или скольжения элеватора могут быть открыты для поверхности трубы. Следует понимать, что захватные элементы элеватора могут быть элементами качения и/или скольжения.

Хотя как инструмент 110 для спуска, так и элеватор 120 трубных элементов выполнены с возможностью захвата трубного элемента 105, инструмент 110 для спуска выполнен таким образом и/или выполнен с возможностью управления таким образом, чтобы обычно захватывать концевую часть 105a трубного элемента 105 посредством радиального увеличения элеватора трубных элементов и/или инструмента для спуска, позволяющего увеличенному трубному элементу 105a свободно проходить в инструмент 110 для спуска, причем захватные элементы инструмента расположены так, чтобы захватывать трубу в уменьшенной части 105c. Однако элеватор 120 трубных элементов конструктивно исполнен и/или может управляться таким образом, чтобы захватывать аксиально-промежуточную часть 105b трубы. Например, инструмент 110 для спуска может быть выполнен с возможностью захвата радиально увеличенного заплечика, часто содержащегося в обычных соединениях бурильных труб, а элеватор 120 трубных элементов может быть выполнен с возможностью захвата оставшейся длины соединения меньшего диаметра.

Согласно одному варианту осуществления изобретения механизм 130 наклона штроп содержит держатель 140, два исполнительных механизма 150, каждый из которых проходит между инструментом 110 для спуска и элеватором 120, и два других исполнительных механизма 160, каждый из которых проходит между держателем 140 и соответствующим одним из исполнительных механизмов 150. Альтернативный подход мог бы содержать поворотный исполнительный механизм на конце шарнира 150a в сочетании с линейным исполнительным механизмом 150. Концы каждого исполнительного механизма 150, 160 могут быть выполненными поворотными, например, могут содержать проушину или крюк, через которую или который может крепиться палец или другое соединительное средство. Таким образом, концы 150а исполнительных механизмов 150 могут быть поворотно прикреплены к инструменту 110 для спуска или промежуточной конструкции, соединенной с инструментом 110 для спуска, а противоположные концы 150b исполнительных механизмов 150 могут быть поворотно прикреплены к элеватору 120 или промежуточной конструкции, соединенной с элеватором 120. Подобным образом, концы 160а исполнительных механизмов 160 могут быть поворотно прикреплены к держателю 140, а противоположные концы 160b исполнительных механизмов 160 могут быть поворотно прикреплены к исполнительным механизмам 150 или промежуточной конструкции, соединенной с исполнительными механизмами 150. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения предусмотрены пары исполнительных механизмов, например, два или четыре, а в других предусмотрены один исполнительный механизм и одна или две пары связующих элементов. Следует, однако, отметить, что в пределах объема настоящего изобретения и другие устройства сопряжения. Согласно одному варианту осуществления изобретения нет связующих элементов между нижней частью элеватора 120 трубных элементов и верхним приводом или инструментом 110 для спуска. Элеватор 120 трубных элементов может действовать посредством устройства отвода, такого как одно или несколько колес, которые могут прикладывать нагрузку и/или убирать нагрузку от трубы, в выточке в элеваторе 120 трубных элементов.

Согласно примерному варианту осуществления изобретения, показанному на Фиг.1A, конец 160b каждого исполнительного механизма 160 поворотно соединен с соответствующим держателем 155, позиционно неподвижным относительно соответствующего исполнительного механизма 150, находящимся в промежуточном положении между концами 150a, 150b исполнительного механизма 150. Каждый держатель 155 может иметь П-образный профиль или может быть выполнен иным образом для приема и поворотного соединения с концом 160b соответствующего исполнительного механизма 160. Держатели 155 могут быть соединены с соответствующим исполнительным механизмом 150 одним или несколькими болтами 156, как показано на Фиг.1A, хотя могут быть использованы и другие крепежные средства.

Концевые точки 160a исполнительных механизмов 160 смещены от концевых точек 150a исполнительных механизмов 150, за счет чего выдвижение и втягивание исполнительных механизмов 160 вызывает поворот исполнительных механизмов 150 относительно инструмента 110 для спуска. Например, концевые точки 160a каждая смещена от соответствующих концевых точек 150a в направлениях X и Z в системе координат, показанной на Фиг.1A. Однако, согласно другим вариантам осуществления изобретения каждая из концевых точек 160а может быть смещена от соответствующих концевых точек 150a лишь в одном из направлений X и Z, но при этом все равно обеспечивается поворот исполнительных механизмов 150 относительно инструмента 110 для спуска (т.е., поворот относительно оси, проходящей через обе концевые точки 150a и параллельно оси Y системы координат, показанной на Фиг.1A).

Каждый из исполнительных механизмов 150 и исполнительных механизмов 160 может представлять собой линейно приводимый цилиндр, причем цилиндр имеет гидравлический, электрический, механический, пневматический привод или их сочетание. Согласно примерному варианту осуществления, показанному на Фиг.1A, каждый исполнительный механизм 150, 160 содержит цилиндрический корпус, из которого проходит один цилиндрический шток (например, поршня). Однако согласно другим вариантам осуществления изобретения один или несколько исполнительных механизмов 150, 160 могут представлять собой многоступенчатый исполнительный механизм, содержащий более одного корпуса и/или цилиндра, возможно, в телескопическом конструктивном исполнении, таким образом, обеспечивая среди других возможных преимуществ увеличенную длину рабочего хода и/или более компактное решение. Телескопическое конструктивное исполнение может позволить устройству работать с удалением одного или нескольких исполнительных механизмов, предпочтительно, пары исполнительных механизмов (например, 150) (не показано).

Согласно проиллюстрированному варианту осуществления изобретения каждый исполнительный механизм 150 содержит цилиндр, соединенный с инструментом 110 для спуска, причем из цилиндра выходит шток, поворотно-соединенный с элеватором 120. Кроме того, каждый исполнительный механизм 160 содержит цилиндр, соединенный с держателем 140 инструмента 110 для спуска, причем из противоположного конца цилиндра выходит шток, поворотно-соединенный с соответствующим держателем 155. Каждый держатель 155 соединен с цилиндром соответствующего исполнительного механизма 150 возле конца цилиндра, из которого выходит шток. Однако в пределах объема настоящего изобретения находятся и другие конструктивные исполнения механизма 130 наклона штроп.

Конструктивное исполнение, показанное на Фиг.1A, может относиться к начальной или промежуточной стадии подготовки трубного элемента к сборке в трубную колонну. Таким образом, исполнительные механизмы 160 могут быть выдвинуты для поворота исполнительных механизмов 150 от центральной осевой линии трубной колонны, а исполнительные механизмы 150 могут быть выдвинуты для начального расположения элеватора 120 на аксиально-промежуточной части 105b трубного элемента 105. На практике каждый трубный элемент 105 может содержать ограничитель 105 с захвата элеватором, задающий аксиально-промежуточный участок 105b, на котором подъемник 120 должен быть расположен до зажима трубного элемента 105. Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения использование элеватора 120 трубных элементов для захвата трубного элемента 105 за ограничителем 105c (т.е. слишком близко к концу 105а) может механически повредить трубный элемент 105, сократив, таким образом, его срок службы. Согласно одному примерному варианту осуществления изобретения ограничитель 105c может находиться в двух футах от конца 105а трубного элемента 105 или, возможно, на расстоянии примерно 5-10% общей длины трубного элемента 105. Следует, однако, отметить, что в пределах объема настоящего изобретения точное расположение ограничителя 105c может варьироваться. 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 должен быть вставлен в инструмент 110 для спуска, как показано на последующих фигурах и описано ниже.

Исполнительные механизмы 150, 160 могут быть приведены в действие для установки элеватора 120 на промежуточном участке 105b трубного элемента 105, как показано на Фиг.1A. Затем может быть приведен в действие элеватор 120 для зажима трубного элемента 105 или сцепления с ним посредством сил трения иным образом. Затем, как показано на Фиг.1B, исполнительные механизмы 160 могут быть приведены в действие для поворота элеватора 120 и трубного элемента 105 к осевой линии трубной колонны и/или инструмента 110 для спуска, например, путем втягивания исполнительных механизмов 160, тем самым, вызывая поворот исполнительных механизмов 150 вокруг их точек 150а крепления. Этого можно добиться и за счет простого перемещения трубного элемента вверх через устройство втягивания (например, расположенное в муфте 120). Согласно еще одному варианту осуществления изобретения элеватору 120 и зажатому трубному элементу может быть позволено падать к средине под инструмент для спуска под действием силы тяжести, тянущей трубный элемент в самую нижнюю точку дуги диапазона перемещения элеватора. При продолжении этого перемещения конец 105a трубного элемента 105 расположен в нижнем отверстии инструмента 110 для спуска или возле него, как показано на Фиг.1C. Согласно одному примерному варианту осуществления изобретения это действие продолжается, пока элеватор 120 трубных элементов и трубный элемент 105 не будут выставлены практически соосно с инструментом 110 для спуска, как показано на Фиг.1D.

На последующих стадиях этого процесса исполнительные механизмы 150 могут быть приведены в действие для вставки конца 105а трубного элемента 105 в инструмент 110 для спуска, как показано на Фиг.1E, 1F и 1G. Например, исполнительные механизмы 150 могут быть втянуты для втягивания конца 105а трубного элемента 105 в инструмент 110 для спуска. Как показано на Фиг.1G, исполнительные механизмы 150 и исполнительный механизм 160 могут быть полностью втянуты, и при этом значительная часть конца 105a трубного элемента 105 может быть вставлена в инструмент 110 для спуска. Инструмент 110 для спуска может быть выполнен таким образом, чтобы после этого захватывать трубный элемент 105, и при этом трубный элемент 105 удерживается, даже после того, как элеватор 120 трубных элементов впоследствии отцепляют от трубного элемента 105. Альтернативно, элеватор 120 трубных элементов может действовать так, чтобы непосредственно соединять трубный элемент 105 с инструментом 110 для спуска труб. Согласно одному варианту осуществления изобретения элеватором 120 трубных элементов захватывается, по меньшей мере, часть поверхности трубного элемента. Элеватор 120 трубных элементов может сцепляться с внутренней и/или наружной областью трубного элемента, как и захватные элементы (не показанные) инструмента 110 для спуска. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения элеватор 120 и инструмент 110 для спуска каждый могут взаимодействовать с наружной поверхностью трубного элемента, или же элеватор 120 взаимодействует с наружной поверхностью, а инструмент 110 для спуска взаимодействует, по меньшей мере, с внутренней поверхностью трубного элемента. Элеватор 120 трубных элементов может взаимодействовать с трубным элементом по любой поверхности трубного элемента, ближней к концу трубного элемента или дальней от него. Затем элеватор 120 трубных элементов может действовать для расположения трубного элемента для взаимодействия с инструментом 110 для спуска и удерживания им. Затем инструмент 110 для спуска может захватывать по меньшей мере одну другую поверхность трубного элемента частью инструмента 110 для спуска, и при этом трубный элемент удерживается исключительно в результате направленной вниз силы, создаваемой массой трубного элемента, взаимодействующего с частью инструмента 110 для спуска, т.е., даже если элеватор 120 выпустит трубный элемент, инструмент 110 для спуска будет держать его.

После того как конец 105а трубного элемента 105 достаточно или, предпочтительно, полностью вставлен в инструмент 110 для спуска и захвачен и зажат им, часть инструмента 110 для спуска может образовывать уплотнение для текучей среды с концом 105a трубного элемента 105. Например, для образования уплотнения для текучей среды в конце 105a трубного элемента 105 и/или вокруг него могут устанавливаться один или несколько фланцев и/или других уплотняющих компонентов. Эти уплотняющие компоненты могут, по меньшей мере, частично содержать резину или другой податливый материал или их любое сочетание. Уплотняющие компоненты могут дополнительно или альтернативно содержать металлический или другой не податливый материал. Согласно одному примерному варианту осуществления изобретения уплотняющие компоненты могут содержать резьбовое соединение, такое как обычное муфтово-замковое соединение.

Способ, последовательно показанный на Фиг.1A-G, может быть использован для взятия однотрубной свечи бурильной колонны или другого трубного элемента (например, трубного элемента 105) со стеллажа для труб, из другого сооружения для хранения, грузоподъемного инструмента и/или другого сооружения или механизма поставки труб, и затем установки однотрубной свечи в бурильную или другую трубную колонну. Способ, последовательно показанный на Фиг.1A-G, или его части, может быть осуществлен и в обратном порядке для демонтажа трубного элемента из колонны и, например, для укладки демонтированных трубных элементов на стеллаж для туб и/или в другое сооружение. Например, способ может также предусматривать стадию, на которой элеватор трубных элементов после захвата отцепляют, и, предпочтительно, стадию, на которой трубный элемент зажимают инструментом для спуска и/или трубный элемент, зажатый инструментом для спуска, опускают на несущую поверхность. Эти стадии могут выполнять вручную или автоматически посредством устройства управления, которое перед отпусканием элеватора 120 трубных элементов подтверждает зажатие трубного элемента.

Альтернативно, способ, по меньшей мере, частичного отцепления трубного элемента может предусматривать стадию, на которой используют инструмент для спуска для взаимодействия с трубным элементом, затем стадию, на которой к трубному элементу любым средством, например, верхним приводом, прикладывают вращающую силу. Частью инструмента для спуска захватывают, по меньшей мере, одну поверхность трубного элемента. Далее элеватор трубных элементов может взаимодействовать с трубным элементом, например в порядке, обратном захвату трубного элемента, и затем инструмент для спуска опускают, чтобы устранить взаимодействие между трубным элементом и трубной колонной. Затем трубный элемент поднимают для отцепления по меньшей мере одной части поверхности инструмента для спуска. В некоторых случаях опускание инструмента для спуска и подъем трубного элемента могут осуществлять одновременно. Эти стадии могут осуществлять вручную или автоматически.

В других случаях трубный элемент может быть, по меньшей мере, частично отсоединен от трубной колонны посредством приведения инструмента для спуска во взаимодействие с трубным элементом, затем прикладывания к трубному элементу достаточной вращающей силы любым средством, например, верхним приводом. Предпочтительно, эту вращающую силу прикладывают, по меньшей мере, посредством захватных элементов инструмента для спуска и, предпочтительнее лишь посредством их. Далее, элеватор трубных элементов может взаимодействовать с трубным элементом в порядке, обратном тому, в каком трубный элемент подавали в инструмент для спуска при операции свинчивания, описанной в настоящем документе. Пока элеватор трубных элементов удерживает отвинчиваемый трубный элемент, захватное устройство инструмента для спуска освобождают. Этого можно добиться, например, путем перемещения хомута или его сегментов инструмента для спуска, по меньшей мере, частично в направлении, имеющем аксиальную составляющую вдоль зажатого трубного элемента, для отсоединения по меньшей мере одной части поверхности трубного элемента, зажатой частью инструмента для спуска. Затем трубный элемент можно удалить из устройства для манипуляции трубными элементами. Другие операции по освобождению трубных элементов из захватного устройства также описаны в настоящем документе.

Во время этих операций инструмент 110 для спуска может быть использован для захвата и зажима трубного элемента, устанавливаемого в трубную колонну или удаляемого из нее. На Фиг.2 показан разрез, по меньшей мере, части одного примерного варианта осуществления инструмента 110 для спуска в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Инструмент 110 для спуска содержит элемент 210 с выемками, элемент 220 с прорезями или перфорированный иным образом, и несколько захватных элементов, т.е., элементов скольжения или качения 230, или их сочетание.

Трубный элемент 105 может не быть одинаковым по размерам или иным образом идеальным. То есть, трубный элемент 105 может не характеризоваться идеальной округлостью или круглой формой, т.е., все точки на наружной поверхности трубного элемента в некотором аксиальном положении могут не образовывать идеальный круг. Альтернативно или дополнительно, трубный элемент 105 может не обладать идеальной цилиндричностью, т.е., все точки внешней поверхности могут не находиться на равном расстоянии от продольной оси 202 инструмента 110 для спуска, и/или трубный элемент 105 может не обладать идеальной концентричностью, т.е., оси всех элементов сечения внешней поверхности могут не совпадать с продольной осью 202.

Таким образом, часть инструмента для спуска выполнена с возможностью сцепления посредством сил трения по меньшей мере с одной поверхностью трубного элемента, достаточного, чтобы зажать трубный элемент и, предпочтительно, дополнительно прикладывать крутящий момент к трубному элементу. Инструмент для спуска может быть выполнен с возможностью сцепления посредством сил трения с внутренней поверхностью трубного элемента, наружной поверхностью или обеими, как описано в настоящем документе. Элемент 210 с выточками может представлять собой по существу цилиндрический или иной формы элемент, содержащий несколько выполненных в нем выточек 214. Выточки 214 могут проходить между глубоким и мелким концами. Перфорированный элемент 220, обычно с прорезями и в настоящем документе именуемый элементом с прорезями (но без ограничения этим конструктивным исполнением), может представлять собой по существу цилиндрический или иной формы кольцевой пространственный элемент, содержащий несколько выполненных в нем прорезей (или отверстий иной формы) 222. Прорези могут быть удлиненными и проходить, по меньшей мере, частично, в направлении, по существу параллельном продольной оси трубного элемента, с которым выполняют манипуляции. Несколько удлиненных прорезей могут быть зафиксированы относительно нескольких выточек. Кроме того, прорези могут перекрываться выточками, по меньшей мере, частично или полностью. Предпочтительно, каждая прорезь 222 предназначена для взаимодействия с одной из выточек 214 элемента 210c выточками для удерживания одного из захватных элементов 230. Кроме того, каждая выточка 214 и прорезь 222 выполнены такими, что когда захватный элемент 230 перемещается из положения максимальной глубины 214a выточки 214, захватный элемент 230 выступает дальше через прорезь 222 и за периметр 224 элемента 220 с прорезями, а когда захватный элемент 230 перемещается в положение максимальной глубины 214a выточки 214, катящийся или скользящий элемент 230 также перемещается в сторону втянутого положения, по меньшей мере, частично во внутреннем периметре 224 элемента 220 с прорезями.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения скользящие или катящиеся элементы или их сочетание (в тексте настоящего описания эти элементы именуются также «захватными элементами») удерживаются, по меньшей мере, по существу между прорезями и выточками. При нахождении на мелком конце выточки захватные элементы за счет их размеров удерживаются соответствующей прорезью с частичным выступанием через нее и взаимодействием с трубным элементом, находящимся рядом с ними. Захватный элемент на глубоком конце выточки будет обычно выступать менее чем примерно на 20% своего радиуса, предпочтительно, менее, чем примерно на 10% своего радиуса, предпочтительнее, менее, чем примерно на 5% своего радиуса, а согласно одному варианту осуществления вообще не будет выступать через соответствующее отверстие элемента с прорезями. Следует понимать, что несколько «захватных элементов», упоминаемых по тексту настоящего описания, в любом данном случае могут быть скользящими элементами, катящимися элементами или их сочетанием.

Несколько захватных элементов 230 могут быть выполнены с возможностью перемещения вниз, например, частично или исключительно под действием силы тяжести, прикладываемой к трубному элементу, когда он находится во взаимодействии с ними, и при этом инструмент для спуска может зажимать трубный элемент. По мере того как захватные элементы перемещаются в сторону мелкого конца их соответствующей выточки, несколько захватных элементов могут эффективно зажиматься между соответствующими выточками и самим трубным элементом, вызывая захват посредством сил трения. Предпочтительно, захват происходит, когда трубный элемент перемещается вниз относительно инструмента для спуска, в частности, относительно захватного устройства в нем. Возможен и силовой захват, при котором захватные элементы могут быть направлены под воздействием в нужное положение, например, пружинами или приводными устройствами, связанными с каждым захватным элементом, или муфтой, функционально связанной с каждым таким захватным элементом (не показана). Это захватывание представляет собой обратимый процесс, то есть отсоединение трубного элемента может происходить в обратном порядке - путем перемещения трубного элемента или трубной колонны вверх или иначе в сторону инструмента для спуска. Альтернативно, отсоединение трубного элемента может быть результатом направленного вниз движения катящихся или скользящих элементов 230 в зависимости от ориентации инструмента для спуска труб и захватного узла и его захватных элементов в нем. Каждый из нескольких захватных элементов 220 может быть отведен, по меньшей мере, частично, по меньшей мере в одну прорезь элемента с прорезями, когда трубный манипулятор захватывает трубный элемент. В некоторых случаях каждый катящийся или скользящий элемент 220 может быть отведен в одну, две, три или более элементов с прорезями. Каждый из нескольких захватных элементов 220 может быть отведен частично, почти полностью или полностью по меньшей мере в одну прорезь элемента с прорезями и по меньшей мере одну выточка элемента с выточками, когда устройство для манипуляции трубными элементами отсутствует или задействовано, но не захватывает трубный элемент. Предпочтительно, отвод является лишь частичным, и при этом захватные элементы находятся во взаимодействии, когда трубный элемент зацеплен, поскольку это может способствовать захвату. Таким образом, будучи отведенными частично, захватные элементы по-прежнему частично выступают из выточки через элемент с прорезями, чтобы зацепляться или взаимодействовать с трубным элементом, содержащий конец, находящийся в них. Инструмент для спуска труб может быть функционально соединен с манипулятором или питателем, предназначенным для помещения или подачи трубного элемента в инструмент или удаления трубного элемента из него. Этот манипулятор может быть частью соответствующего элеватора трубных элементов или совершенно отдельным компонентом.

Каждая прорезь 222 может характеризоваться овальным или иным удлиненным профилем, т.е., каждая прорезь 222 больше в длину, чем в ширину. Длина прорези 222, по меньшей мере, по существу, и, предпочтительно, полностью находится в направлении продольной оси 202 инструмента ПО для спуска. Стенки каждой прорези 222 могут сужаться на конус радиально вовнутрь в сторону глубокого конца соответствующей выточки, и/или уклон выточки между глубоким и мелким концами может быть выполнен круче для обеспечения более быстрого захвата и отвода.

Каждая выточка 214 может характеризоваться шириной (перпендикулярно плоскости страницы на Фиг.2), которая, по меньшей мере, почти равна или чуть больше ширины или диаметра каждого захватного элемента 230. Каждая выточка 214 может характеризоваться также длиной, превышающей минимальную длину прорези 222. Ширина или диаметр захватного элемента 230, по меньшей мере, превышает ширину внутреннего профиля прорези 222.

Поскольку каждая прорезь 222 является удлиненной в направлении сужения выточек 214, каждый захватный элемент 230 может выступать из элемента 220 с прорезями на независимую величину в зависимости от ближних размерных характеристик трубного элемента 105, с которым происходит взаимодействие или захват. Например, если наружный диаметр трубного элемента 105 меньше возле конца 105а трубного элемента 105, катящийся элемент 230, ближе всего расположенный к концу 105а трубного элемента 105, выступает из элемента 220 с прорезями на большее расстояние относительно расстояния, на которое выступает из элемента 220 с прорезями катящийся элемент 230, ближайший к центральной части трубного элемента 105.

Каждый из катящихся или скользящих элементов 230 может представлять собой практически сферический элемент, такой как стальная шаровая опора. В пределах объема настоящего изобретения находятся также другие материалы и формы. Например, каждый из захватных элементов 230 может альтернативно быть цилиндрическим или коническим штифтом, выполненным с возможностью качения или скольжения вверх и вниз по уклонам, образованным выточками 214. Захватные элементы не обязательно должны быть одной формы или из одного материала, и могут быть выбраны независимо, но согласно одному предпочтительному варианту осуществления в данном аксиальном положении и, предпочтительнее, во всех аксиальных положениях они характеризуются одной формой и изготовлены из одного материала. Например, эти элементы могут характеризоваться формой полусферы или могут быть, по меньшей мере, по существу или полностью закруглены на одной стороне или части, и другой формой на другой части (например, плоской или по существу U- или V-образной, чтобы подходить к соответствующей выточке этой формы). Согласно еще одному варианту осуществления изобретения на части скользящего или катящегося элемента может находиться слой, который взаимодействует с трубным элементом и захватывает его, или этот слой может быть на части, касающейся выточки для обеспечения измененного захвата. Например, этот слой мог бы содержать материал, повышающий трение или усилие зажима по сравнению с намного более твердым материалом, образующим сердечник этого скользящего или катящегося элемента. Или же этот слой может покрывать выточку и предназначаться для минимизации трения, чтобы обеспечить дополнительный захват при скольжении захватных элементов в сторону мелкого конца выточки, при этом имея материал с более высоким трением, покрывающий трубный элемент, для поддерживания захвата посредством сил трения. Захватные элементы могут быть подпружиненными, чтобы поджимать захватные элементы наружу или вовнутрь, если требуется, в сторону трубного элемента, или могут быть приведены согласно еще одному варианту осуществления изобретения, чтобы поджимать захватные элементы в положение сцепления и/или захвата, как отмечено в настоящем описании.

На Фиг.3A представлен частичный разрез устройства 100, показанного на Фиг.1A-G, включающего вариант осуществления инструмента 110 для спуска, показанного на Фиг.2. На Фиг.3A устройство 100 показано содержащим инструмент 110 для спуска труб, элеватор 120 трубных элементов и механизм 130 наклона штроп, показанные на Фиг.1А-G. На Фиг.3A показан также элемент 210 с выточками и захватные элементы 230 варианта осуществления инструмента 110 для спуска, показанного на Фиг.2. Однако вариант осуществления устройства 100, показанного на Фиг.3A, может содержать дополнительные компоненты, которые для понятности могут не иллюстрироваться, но, как можно понять, тоже существуют. Например, может присутствовать плашка клинового захвата 102 в полу буровой, предназначенная для удерживания трубного элемента, которая может работать вместе с инструментом для спуска труб. Плашка клинового захвата 102 в полу буровой может находиться рядом с полом 410 буровой вышки, упираться в него или находиться сверху его. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения (не показанном), плашка клинового захвата 102 в полу буровой может быть частично или полностью ниже верхней поверхности пола 410 буровой вышки и в конструкции пола буровой вышки, особенно если сама буровая вышка является передвижной. Плашка клинового захвата 102 в полу буровой может быть прикреплена к полу буровой вышки с возможностью отсоединения или может быть прикреплена постоянно, если необходимо. Как показано на Фиг.8, плашка клинового захвата 102 в полу буровой может характеризоваться по существу такой же ориентацией и содержать такой же захватный узел, как и инструмент для спуска, отмеченный выше. Например, плашка клинового захвата 102 в полу буровой может содержать компонент 820 с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой, содержащий несколько удлиненных прорезей 822. Каждая прорезь 822 может быть выполнена проходящей, по меньшей мере, частично в направлении, по существу параллельном продольной оси трубного элемента 802, с которым выполняют манипуляции. Кроме того, плашка клинового захвата 102 в полу буровой может содержать компонент с выточками плашки клинового захвата в полу буровой, функционально соединенный с компонентом 820 с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой и содержащий на своей поверхности несколько выточек 814 плашки клинового захвата в полу буровой, проходящих между глубоким концом 814a и мелким концом. Кроме того, могут присутствовать несколько катящихся захватных компонентов 830 плашки клинового захвата в полу буровой 830, функционально соединенных с несколькими удлиненными прорезями 822 плашки клинового захвата в полу буровой прорези и несколькими выточками 814 плашки клинового захвата в полу буровой выточки. Каждый из нескольких катящихся захватных компонентов 830 плашки клинового захвата в полу буровой 830 может отводиться, по меньшей мере, в части компонента 820 с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой, будучи на глубоком конце 814a соответствующей выточки плашки клинового захвата в полу буровой. Кроме того, каждый из нескольких катящихся компонентов плашки клинового захвата в полу буровой может быть выполнен для отвода, по меньшей мере, частично, по меньшей мере в одну прорезь компонента с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой, когда плашка клинового захвата в полу буровой находится в положении захвата для захвата трубного элемента или трубной колонны. Плашка клинового захвата 102 в полу буровой может быть выполнена для обеспечения несущей способности для трубного элемента или трубной колонны, свисающего или свисающей из плашки клинового захвата 102 в полу буровой. Плашка клинового захвата 102 в полу буровой может быть присоединена с возможностью отсоединения к трубному элементу или трубной колонне и вращать его или ее, когда плашка клинового захвата 102 в полу буровой захватывает трубный элемент или трубную колонну. Альтернативно или дополнительно, плашка клинового захвата 102 в полу буровой может быть присоединена с возможностью отсоединения к столу бурового ротора. Плашка клинового захвата 102 в полу буровой может захватывать с возможностью отпускания трубный элемент или трубную колонну и, таким образом, может находиться в положении захвата или отпускания. Плашка клинового захвата 102 в полу буровой может характеризоваться гидравлическим, пневматическим или ручным приводом. Чтобы поддерживать положение захвата, плашка клинового захвата в полу буровой может содержать блокировочный механизм, предназначенный для запирания плашки клинового захвата в полу буровой вокруг трубного элемента или трубной колонны. Блокировочный механизм может содержать, например, силовой или несиловой механизм, чтобы вызывать запирания или захват, и, факультативно, но предпочтительно, содержит также элемент предварительного нагружения, предназначенный для обеспечения достаточной аксиальной силы, чтобы компоненты плашки клинового захвата в полу буровой захватили и, предпочтительно, могли еще и вращать трубный элемент или трубную колонну.

Плашка клинового захвата 102 в полу буровой, как и инструмент для спуска и элеватор трубных элементов, могут также отдельно содержать центрирующий механизм для облегчения центрирования трубного элемента или трубной колонны возле центра ствола скважины. Этот центрирующий механизм может представлять собой одну или несколько наклонных конструкций, соответствующих сегментам хомута и направляющих сегменты хомута радиально вовнутрь при их перемещении в положение сцепления (при взаимодействии с наружной поверхностью трубного элемента). При перемещении сегментов хомута в положение зацепления наклонные конструкции наклоняют под углом, чтобы направлять сегменты хомута вовнутрь в сторону трубного элемента с тем, чтобы из нескольких сегментов хомута мог образовать полный «хомут», и при этом захватные элементы вступают во взаимодействие с трубным элементом, а затем захватывают его. Каждая наклонная конструкция, по меньшей мере, по существу окружает хомут(ы) захватного узла, когда они находятся в положении захвата, и каждая наклонная конструкция представляет собой предпочтительно коническую секцию, хотя может иметь любую форму, чтобы соответствовать поверхности хомута или секции хомута, противоположной стороне с утопленными прорезями, функционально соединенной с захватными элементами. Каждая наклонная конструкция обычно концентрически расположена вокруг группы сегментов хомута, образующих хомут при перемещении сегментов хомута в положение зацепления.

Кроме того, плашка клинового захвата 102 в полу буровой может содержать систему блокировки, предназначенную для предотвращения высвобождения одного или нескольких трубных элементов, захваченных плашкой клинового захвата в полу буровой, до подтверждения захвата одного или нескольких трубных элементов функционально соединенным инструментом для спуска или элеватором трубных элементов. Подтверждение может быть получено автоматически, например, компьютерной программой и/или визуально рабочим установки для бурения нефтяных скважин. Способы сцепления с трубным элементом или трубной колонной плашки клинового захвата в полу буровой могут предусматривать сцепление с частью поверхности трубного элемента плашки клинового захвата в полу буровой, и приведение плашки клинового захвата в полу буровой в положение захвата для расположения трубного элемента в стволе скважины и соосно с добавляемым трубным элементом, захваченным инструментом для спуска, элеватором трубных элементов или обоими. Способы высвобождения трубного элемента или трубной колонны из плашки клинового захвата в полу буровой могут предусматривать переведение или перемещение плашки клинового захвата в полу буровой из положения захвата в положение высвобождения и разрыв взаимодействия между по меньшей мере одной поверхностью трубного элемента или трубной колонны и плашкой клинового захвата в полу буровой.

Более того, на Фиг.3A показано также, что инструмент 110 для спуска может содержать механизм 310 предварительного нагружения. Согласно одному варианту осуществления изобретения механизм предварительного нагружения реверсивно прикладывает давление к концу трубного элемента, захваченного в инструменте 110 для спуска труб. Механизм 310 предварительного нагружения может быть выполнен с возможностью прикладывания аксиальной силы к концу 105a трубного элемента 105 после того, как трубный элемент 105 вставлен на достаточное расстояние в инструмент ПО для спуска. Например, согласно показанному примерному варианту осуществления изобретения механизм 310 предварительного нагружения содержит элемент 315 стыковки с трубным элементом, исполнительный механизм 320 и элемент 325 стыковки со инструментом для спуска. Элемент 315 стыковки с трубным элементом может представлять собой пластину, зажим, лапу, поршень, колодку и/или другую подходящую конструкцию (конструкции), выполненную (выполненные) для передачи аксиальной нагрузки, прикладываемой исполнительным механизмом 320 к трубному элементу 105, предпочтительно на его конце 105a. Исполнительный механизм 320 может представлять собой цилиндр, приводимый в линейное движение, с гидравлическим, электрическим, механическим, пневматическим приводом или сочетанием этих приводов. Элемент 325 стыковки с инструментом для спуска может представлять собой резьбовую крепежную деталь, штифт и/или другое средство соединения исполнительного механизма 320 с внутренней структурой инструмента 110 для спуска. Механизм предварительного нагружения может быть расположен таким образом, чтобы прикладывать эту силу (или давление) в любом месте на трубном элементе, например, в верхней части, или даже путем захвата на внутреннем диаметре или наружном диаметре для прикладывания этой дополнительной силы предварительного нагружения в связи со свинчиванием или развинчиванием. Предпочтительно, предварительная нагрузка прикладывается исполнительным механизмом на конце трубного элемента, обычно на верхнем конце трубного элемента, находящемся внутри инструмента 110 для спуска.

В конструктивном исполнении, проиллюстрированном на Фиг.3A, трубный элемент 105 захвачен элеватором 120 и затем ориентирован по существу соосно под инструментом 110 для спуска. Трубный элемент 105 может содержать метку 105d, указывающую минимальное смещение, требуемое между концом 105a и продольным положением, в котором трубный элемент 105 захватывается элеватором 120.

После достижения осевого совмещения, показанного на Фиг.3A, может быть приведен в действие механизм 130 наклона штроп, чтобы начать вставку трубного элемента 105 в инструмент 110 для спуска, как показано на Фиг.3B. При входе трубного элемента 105 в инструмент 110 для спуска захватные элементы 230 скользят и/или катятся по наружному периметру трубного элемента 105, при этом прикладывая очень малое направленное радиально внутрь усилие к трубному элементу 105. Альтернативно, вставные элементы 210 могут быть отведены в такой степени, что они и захватные элементы, связанные с ними, не касаются трубного элемента 105. Это продолжается до тех пор, пока конец 105a трубного элемента 105 не окажется 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 вовнутрь, и при этом захватные элементы (или катящиеся или скользящие элементы) 230 касаются поверхности трубного элемента 105, и исполнительный механизм 320 механизма 310 предварительного нагружения, показанного на этой фигуре, приводят в действие для прикладывания направленного аксиально вниз усилия к концу 105a трубного элемента 105. Это направленное вниз усилие активно зацепляет захватные элементы 230 с наружным и/или внутренним периметром трубного элемента 105. Соответственно, трубный элемент 105 принудительно захватывается инструментом 110 для спуска, и этот инструмент зажимает трубный элемент не только массой трубного элемента 105, но и любым факультативным аксиальным усилием, прикладываемым механизмом 310 предварительного нагружения.

Затем, как показано на Фиг.3D, инструмент 110 для спуска может вращаться, при этом вращая трубный элемент 105. То есть, крутящий момент, приложенный к инструменту 110 для спуска (например, верхним приводом, соединенным непосредственно или косвенно с инструментом 110 для спуска), передается на трубный элемент предпочтительно посредством захватных элементов 230, которые вместе с другими компонентами инструмента 110 для спуска зажимают трубный элемент. Во время этого вращения элеватор 120 может быть отсоединен и предпочтительно отсоединяется от трубного элемента 105, и при этом вся масса трубного элемента 105 удерживается инструментом 110 для спуска (и еще и масса бурильной колонны, прикрепленной к трубному элементу 105, если трубный элемент привинчен к трубной колонне, или когда начинается отвинчивание трубного элемента от трубной колонны).

Чтобы отсоединить захваченный и зажатый трубный элемент 105 от инструмента 110 для спуска, сборку инструмента 100 и трубного элемента 105 высвобождают из плашки клинового захвата 102 в полу буровой. Затем сборку инструмента 100 и трубного элемента 105 предпочтительно опускают в требуемое положение, повторно используют плашку клинового захвата 102 в полу буровой для зажатия трубного элемента в положении выше (при свинчивании) или ниже (при развинчивании) положения захвата предыдущей плашки клинового захвата в полу буровой на трубном элементе или трубной колонне. Затем исполнительный механизм 320 механизма 310 предварительного нагружения предпочтительно отводят, чтобы снять аксиальное усилие с конца 105a трубного элемента 105. Предварительное нагружение можно снять в любой момент в процессе после его приложения, но предпочтительно его снимают после завершения вращения. Его можно снять до или после того, как плашка клинового захвата в полу буровой снова зажмет трубный элемент ближе к верхней части (при операции свинчивания) или ниже (при операции развинчивания), после чего инструмент 110 для спуска можно высвободить, и вставить следующий трубный элемент или трубную колонну. После этого захватные элементы 230 обычно отцепляют. Вставки 210 можно отводить, чтобы допустить направленное вверх перемещение инструмента 100 с освобождением его от увеличенного элемента 105а. Элемент с прорезями инструмента для спуска (показанный на Фиг.2, но не показанный на Фиг.3A-D) тоже могут перемещать одним или несколькими исполнительными механизмами, подсоединенными к нему согласно одному варианту осуществления изобретения, например, вверх или в радиальном направлении на сжатие или расширение, чтобы захватные элементы 230 могли отпустить захват трубного элемента 105 (хотя по-прежнему могут оставаться во взаимодействии с ним) или отпустить захват и разорвать взаимодействие с трубным элементом или трубной колонной (не показанной).

Согласно различным вариантам осуществления изобретения, не обязательно показанным, элемент с прорезями обычно выполнен таким, чтобы быть неподвижным, скользит или вращаться или радиально расширяться или сжиматься относительно элемента с выточками. Обычно элементы с прорезями и выточками образуют «клетку» для удерживания захватных элементов между ними. Согласно одному варианту осуществления изобретения, в котором захват происходит на наружной поверхности трубного элемента, элемент с прорезями предпочтительно неподвижен, или может быть выполнен с возможностью расширения в радиальном направлении. Согласно этому варианту осуществления изобретения весь захватный узел элементов с прорезями и выточками вместе с захватными элементами перемещают для высвобождения трубного элемента из захвата. Это перемещение предпочтительно является аксиальным, по меньшей мере, практически по длине или полностью по всей длине трубного элемента или трубной колонны, и предпочтительно вверх, чтобы высвободить захваченные посредством сил трения захватные элементы. Одновременно или сразу же после этого, захватный узел (именуемый также «хомутом» и содержащий, по меньшей мере, элемент с выточками, элемент с прорезями и захватные элементы) перемещают, по меньшей мере, в радиальном направлении от трубного элемента или трубной колонны, чтобы позволить концу 105a высвободиться из захватного узла. Сегменты хомута могут перемещать в положения для сцепления и отсоединения трубного элемента с использованием наклонных конструкций. Подобно наклонным конструкциям, описанным выше, эти наклонные конструкции, по меньшей мере, практически окружают хомуты и предпочтительно являются цилиндрическими, хотя могут быть любой формы. При захвате, а затем сцеплении хомута с наружной поверхностью трубного элемента, наклонную конструкцию обычно перемещают в направлении вниз для того, чтобы переместить секции хомута вовнутрь с образованием собственно хомута. При этом наклонные конструкции перемещают вовнутрь к секциям хомута так, что хомут может касаться трубного элемента и захватывать его. Захватный узел может быть образован из нескольких радиально ориентированных частей, например, предпочтительно из двух-пяти сегментов и, предпочтительнее, трех-четырех сегментов по окружности трубного элемента. В инструменте для спуска могут быть аксиально установлены один над другим более одного, например, два, три, четыре или даже пять, захватных узлов, при этом трубный элемент или трубная колонна могут захватываться, а затем зажиматься несколькими захватными узлами. Предпочтительно, захватный узел перемещают еще и аксиально вверх, чтобы обеспечить высвобождение трубного элемента или трубной колонны. Это радиальное перемещение для высвобождения обычно выполняют наружу (если захват происходит на наружной поверхности трубного элемента) и вовнутрь (если захват происходит на внутренней поверхности трубного элемента). Согласно варианту осуществления изобретения, в котором захват происходит на внутренней поверхности трубного элемента, элемент с прорезями предпочтительно выполнен с возможностью скольжения или взаимодействия радиально вовнутрь, чтобы обеспечить высвобождение трубного элемента из захвата. Следует понимать, что если элемент с прорезями сжимается или расширяется, может использоваться складная оправка, и если элемент с прорезями предназначен скользить, исполнительный механизм может использоваться для перемещения элемента с прорезями вверх (предпочтительно), вниз или в обоих направлениях симметричным или асимметричным образом для высвобождения захвата трубного элемента. Следует также понимать, что захват и любые иные варианты осуществления изобретения в настоящем документе могут быть на наружной поверхности, внутренней поверхности или обеих поверхностях трубного элемента, который необходимо свинтить или отвинтить.

На Фиг.4 приведен схематический вид устройства 400, демонстрирующий один или несколько аспектов настоящего изобретения. Устройство 400 демонстрирует примерное окружение, в котором может быть реализовано устройство 100, показанное на Фиг.1A-G, 2 и 3A-D, и/или другое устройство в пределах объема настоящего изобретения.

Устройство 400 представляет собой или содержит наземную буровую установку. Однако один или несколько аспектов настоящего изобретения применимы или легко адаптируемы к любому типу буровой установки, такому, как среди прочих самоподнимающиеся буровые установки, полупогружные буровые платформы, буровые судна, буровые установки с гибкими трубами и установки для бурения на обсадной колонне.

Устройство 400 содержит вышку 405, несущую подъемный механизм над полом 410 буровой вышки. Подъемный механизм содержит кронблок 415 и талевый блок 420. Кронблок 415 подсоединен на верху мачты 405 или возле него, а талевый блок 420 подвешен на кронблоке 415 на талевом канате 425. Талевый канат 425 проходит из подъемного механизма у буровой лебедке 430, предназначенной для разматывания и сматывания талевого каната 425 для опускания и подъема талевого блока 420 относительно пола 410 буровой вышки.

Снизу к талевому блоку 420 прикреплен крюк 435. На крюке 435 подвешен верхний привод 440. Шпиндель 445, выходящий из верхнего привода 440, прикреплен к переводнику с перенарезаемой резьбой 450, прикрепленному к приспособлению 452 для подъема трубных элементов. Приспособление 452 для подъема трубных элементов практически аналогично устройству 100, показанному на Фиг.1A-G и 3A-D, среди прочих в пределах объема настоящего изобретения. Как описано выше со ссылками на Фиг.1A-G и 3A-D, подъемное приспособление 452 может быть присоединено непосредственно к верхнему приводу 440 или шпинделю 445, при этом переводник с перенарезаемой резьбой 450 можно упустить.

Приспособление 452 для подъема трубных элементов сцеплено с бурильной колонной 455, подвешенной в стволе 460 скважины и/или. Бурильная колонна 455 может содержать среди прочих компонентов одну или несколько соединенных между собой секций бурильной трубы 465. Один или несколько насосов 480 могут подавать буровой раствор в бурильную колонну 455 по шлангу или другому напорному трубопроводу 485, который может быть соединен с верхним приводом 440.

Устройство 400 может дополнительно содержать 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. Кроме того, контроллер 490 может сообщаться с инструментом ПО для спуска, элеватором 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 элеватора 120, исполнительных механизмов 150 и исполнительных механизмов 160 на стадии сцепления элеватора 120 и трубного элемента 105. Кроме того, контроллер 490 может быть выполнен, по существу, для автоматизации работы инструмента 110 для спуска, элеватора 120, исполнительных механизмов 150 и исполнительных механизмов 160 на стадии сцепления инструмента 110 для спуска и трубного элемента 105.

На Фиг.5A представлена блок-схема, по меньшей мере, части способа 500 в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Способ 500 может быть по существу аналогичным способу работы, показанному на Фиг.1A-G и 3A-D, и/или может предусматривать альтернативные или факультативные стадии по сравнению со способом, показанным на Фиг.1A-G и 3A-D. Система 400, показанная на Фиг.4, иллюстрирует примерное окружение, в котором способ 500 может быть реализован.

Например, способ 500 предусматривает стадию 505, на которой инструмент для спуска труб опускают относительно буровой установки, а механизм наклона штроп поворачивают относительно его вертикального положения. Дополнительное расположение инструмента для спуска труб и механизма наклона штроп могут выполнять так, чтобы элеватор механизма наклона штроп адекватно располагался относительно трубного элемента с таким расчетом, чтобы элеватор механизма наклона штроп можно было использовать для захвата трубного элемента на последующей стадии 510. Затем на стадии 515 инструмент для спуска труб поднимают, а механизм наклона штроп и трубный элемент поворачивают в вертикальное положение или в сторону его, практически соосное с инструментом для спуска труб.

Затем на стадии 520 инструмент для спуска труб опускают так, что трубный элемент заводят или иным образом состыковывают с «пеньком» (существующей трубной колонной, подвешенной в стволе скважины плашкой клинового захвата в полу буровой и выступающей на небольшое расстояние над полом буровой вышки) или с пластиной, или с другой структурой над пеньком, или с любой другой несущей конструкцией, чтобы поджать трубный элемент к инструменту для спуска труб. На следующей стадии 525 инструмент для спуска труб опускают дальше, или трубный элемент поднимают относительно инструмента для спуска труб, чтобы зацепить верхний конец трубного элемента с захватным механизмом в инструменте для спуска труб. Затем спускной инструмент предпочтительно отводят от несущей поверхности, предпочтительно в направлении вверх, чтобы заставить зацепленные захватные элементы захватить трубный элемент. Альтернативно или на факультативной, но предпочтительной стадии 530 к трубному элементу могут затем прикладывать предварительную нагрузку и/или другое усилие, как описано выше, чтобы «настроить» захватный механизм в инструменте для спуска труб и тем самым жестко захватить и зажать трубный элемент захватным механизмом. Затем на стадии 535 инструмент для спуска труб могут вращать для свинчивания трубного элемента и пня.

Затем в способе 500 обычно переходят к стадии 540, на которой инструмент для спуска труб могут поднять на небольшое расстояние, если нужно, чтобы отпустить плашку клинового захвата в полу буровой, и затем опускают в нужное положение как новую выступающую на полом буровой часть колонны. На следующей стадии 545 захватный механизм инструмента для спуска труб могут отцепить, чтобы отсоединить трубный элемент, как описано выше, и инструмент для спуска труб могут поднять в подготовке к следующему повторному выполнению способа 500.

На Фиг.5B приведена блок-схема, по меньшей мере, части способа 550 в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Способ 550 может быть по существу аналогичным способу, показанному на Фиг.1A-G, 3A-D и 5A, и/или может предусматривать альтернативные или факультативные стадии по сравнению со способом, показанным на Фиг.1A-G, 3A-D, и 5A. Например, способ 550 можно выполнять для наращивания одного или нескольких трубных элементов (однотрубок, двухтрубок или трехтрубок) на существующую бурильную колонну, подвешенную в стволе скважины. Система 400, показанная на Фиг.4, иллюстрирует примерное окружение, в котором способ 550 может быть реализован.

Способ 550 предусматривает стадию 552, на которой опускают верхний привод, выдвигают исполнительный механизм механизма наклона штроб, выдвигают исполнительный механизм нагружения механизма наклона штроб, и открывают элеватор трубных элементов. Два или более из этих действий могут выполнять практически одновременно, или, альтернативно, на стадии 552 эти действия могут выполнять последовательно, хотя в пределах объема настоящего изобретения конкретная последовательность или порядок этих действий на стадии 552 может варьировать. Действия на стадии 552 предназначены для ориентирования элеватора относительно трубного элемента, устанавливаемого в колонну, чтобы элеватор мог затем захватить трубный элемент.

Верхний привод может представлять собой или содержать вращательный привод, удерживаемый над полом буровой вышки, такой, как вращательный привод 440, показанный на Фиг.4. Исполнительный механизм механизма наклона штроб содержит один или несколько компонентов, которые отклоняют исполнительный механизм нагружения механизма наклона штроб и элеватор от вертикальной соосности с верхним приводом, например, исполнительные механизмы 160, показанные на Фиг.1A-G. Исполнительный механизм нагружения механизма наклона штроб содержит один или несколько компонентов, которые регулируют вертикальное положение элеватора относительно верхнего привода, например, исполнительные механизмы 150, показанные на Фиг.1A-G. Элеватор может представлять собой захватывающий элемент, предназначенный для захвата трубного элемента, собираемого в бурильную колонну, такой как элеватор 120 трубных элементов, показанный на Фиг.1A-G и 3A-D.

После ориентирования элеватора относительно нового трубного элемента действием верхнего привода, исполнительного механизма механизма наклона штроб и исполнительного механизма нагружения механизма наклона штроб, достигнутого путем выполнения стадии 552, выполняют стадию 554, на которой закрывают элеватор или иным образом захватывают новый трубный элемент элеватором. После этого выполняют стадию 556, на которой поднимают верхний привод и отводят исполнительный механизм механизма наклона штроб. Действия подъема верхнего привода и отвода исполнительного механизма механизма наклона штроб могут выполнять практически одновременно или последовательно в любой последовательности. Верхний привод поднимают на достаточное расстояние, чтобы нижний конец нового трубного элемента был выше части бурильной колонны, выступающей из пола буровой вышки, и отводом исполнительного механизма механизма наклона штроб новый трубный элемент выравнивают по вертикали с выступающей частью бурильной колонны и верхним приводом.

На следующей стадии 558 отводят исполнительный механизм инструмента для спуска. Исполнительный механизм инструмента для спуска может представлять собой или содержать линейно приводимый цилиндр, причем цилиндр характеризуется гидравлическим, электрическим, механическим, пневматическим приводом или их сочетанием. Исполнительный механизм инструмента для спуска соединен с частью спускного инструмента так, что инструмент для спуска может захватывать трубный элемент, когда исполнительный механизм инструмента для спуска выдвинут, но не может захватывать трубный элемент, когда исполнительный механизм инструмента для спуска отведен.

Затем на стадии 560 отводят исполнительный механизм нагружения механизма наклона штроб, чтобы вставить конец трубного элемента в инструмент для спуска. На следующей стадии 562 выдвигают исполнительный механизм инструмента для спуска, тем самым, позволяя инструменту для спуска захватить трубный элемент. Способ 550 предусматривает также стадию 564, на которой выдвигают исполнительный механизм предварительного нагружения, чтобы приложить аксиальное усилие к концу трубного элемента и, таким образом, принудительно вызвать захват трубного элемента инструментом для спуска. Исполнительный механизм предварительного нагружения содержит один или несколько компонентов, предназначенных для прикладывания аксиального усилия к концу трубного элемента в инструменте для спуска, таких как исполнительный механизм 320 и/или механизм 310 предварительного нагружения, показанные на Фиг.3A-D. Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения исполнительный механизм предварительного нагружения может представлять собой пластину или оголовок, предназначенные для прикладывания аксиального усилия к концу трубного элемента.

Кроме того, способ 550 может предусматривать стадию 566, на которой элеватор могут открывать, и при этом трубный элемент удерживается лишь за счет захвата инструментом для спуска. Однако это действие открытия элеватора могут выполнять и на другой стадии способа 550 или вообще не выполнять, пока не потребуется высвободить захватный узел для опускания инструмента для спуска.

На следующей стадии 568 инструмент для спуска вращают для свинчивания нового трубного элемента с частью колонны, выступающей над полом буровой. Чтобы было понятно, этот и многие другие варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, относятся к операции свинчивания, и они могут выполняться в обратной последовательности для выполнения операции развинчивания. Согласно настоящему примеру это вращение осуществляют вращающей силой, создаваемой верхним приводом. В пределах объема настоящего изобретения также находятся другие механизмы и средства для вращения спускного инструмента, пока захватный узел захватывает и зажимает трубный элемент или трубную колонну, но, предпочтительно, это вращение осуществляют, по меньшей мере, частично, предпочтительно, полностью посредством захватных элементов, зажимающих трубный элемент.

После свинчивания на стадии 568 на стадии 570 высвобождают плашку клинового захвата в полу буровой. Затем на стадии 571 верхний привод вначале поднимают, чтобы полностью высвободить выступающую над полом буровой часть колонны из плашки клинового захвата, и затем на стадии 572 опускают, чтобы переместить новый присоединенный трубный элемент в ствол скважины так, чтобы из пола буровой выступала только концевая часть нового трубного элемента, образуя новую выступающую над полом буровой часть колонны. Затем на следующей стадии 574 плашку клинового захвата в полу буровой переустанавливают для захвата новой выступающей над полом буровой частью колонны.

После этого на стадии 576 могут отводить исполнительный механизм предварительного нагружения, а на стадии 578 могут отводить исполнительный механизм спускного инструмента, и при этом новый трубный элемент (верх которого является теперь выступающей над полом буровой частью колонны) захвачен лишь плашкой клинового захвата в полу буровой и не удерживается какой-либо частью инструмента для спуска или элеватора. Затем на следующей стадии 580 верхний привод могут свободно поднимать. Как показано на Фиг.5B, способ 500 могут затем повторить для присоединения к новой выступающей над полом буровой части колонны еще одного трубного элемента.

Рассмотрим Фиг.5C, на которой приведена блок-схема, по меньшей мере, части способа 600 в соответствии с одним или несколькими вариантами осуществления настоящего изобретения. Способ 600 может быть по существу аналогичным способу, показанному на Фиг.1A-G, 3A-D, и 5A-B, и/или может предусматривать альтернативные или факультативные стадии по сравнению со способом, показанным на Фиг.1A-G, 3A-D, и 5А-В. Например, способ 600 можно выполнять для демонтажа одного или нескольких трубных элементов (однотрубок, двухтрубок или трехтрубок) с существующей бурильной колонны, подвешенной в стволе скважины. Система 400, показанная на Фиг.4, иллюстрирует примерное окружение, в котором способ 600 может быть реализован.

Способ 600 предусматривает стадию 602, на которой открывают элеватор, отводят исполнительный механизм механизма наклона штроб, отводят исполнительный механизм нагружения механизма наклона штроб, отводят исполнительный механизм предварительного нагружения, отводят исполнительный механизм спускного инструмента, и поднимают верхний привод. Два или более из этих действий могут выполнять практически одновременно, или, альтернативно, на стадии 602 эти действия могут выполнять последовательно, хотя в пределах объема настоящего изобретения конкретная последовательность или порядок этих действий на стадии 602 может варьировать. Действия на стадии 602 предназначены для ориентирования элеватора и инструмента для спуска относительно выступающего над полом буровой конца трубного элемента, демонтируемого с бурильной колонны, чтобы инструмент для спуска мог затем захватить трубный элемент.

После этого на стадии 604 на выступающую над полом буровой часть колонны опускают верхний привод так, чтобы выступающая над полом буровой часть колонны вошла в инструмент для спуска. Затем на стадии 606 выдвигают исполнительный механизм инструмента для спуска, а затем на стадии 608 выдвигают исполнительный механизм предварительного нагружения. Затем выступающую над полом буровой часть колонны захватывают и зажимают инструментом для спуска. Затем на стадии 610 высвобождают плашку клинового захвата в полу буровой. На стадии 611 замыкают элеватор, чтобы захватить и зажать демонтированный трубный элемент, который по-прежнему захватывают и зажимают инструментом для спуска. Затем на стадии 612 поднимают верхний привод, и при этом трубный элемент, демонтируемый с трубной колонны, поднимают на всю длину над полом буровой, а из ствола скважины выступает конец следующего трубного элемента в бурильной колонне. Затем на стадии 614 плашку клинового захвата в полу буровой переустанавливают для захвата и зажима следующего трубного элемента. На следующей стадии 616 вращают инструмент для спуска для развинчивания соединения между демонтируемым трубным элементом и следующим трубным элементом, который образует новую выступающую над полом буровой часть колонны. На стадии 618 после развинчивания соединения верхний привод поднимают, тем самым, поднимая трубный элемент от новой выступающей над полом буровой части колонны.

Затем на стадии 622 отводят исполнительный механизм предварительного нагружения, а затем на стадии 624 отводят исполнительный механизм нагружения механизма наклона штроб, при этом трубный элемент может освободиться от захвата и отсоединиться от инструмента для спуска, будучи по-прежнему захваченным и зажатым элеватором.

Затем на стадии 626 выдвигают исполнительный механизм нагружения механизма наклона штроб. Поскольку трубный элемент больше не захвачен и не зажат инструментом для спуска, выдвижением исполнительного механизма нагружения механизма наклона штроб на стадии 626 трубный элемент выталкивают из инструмента для спуска. Однако стадия 626 может предусматривать или за ней может следовать операция полного отсоединения инструмента для спуска от трубного элемента, например, путем опускания верхнего привода, чтобы легко (без нагрузки) установить демонтированный трубный элемент на выступающую над полом буровой часть колонны или на предохранительную пластину, расположенную на выступающей над полом буровой части колонны, после чего верхний привод снова поднимают, и при этом демонтированный трубный элемент отходит по вертикали от выступающей над полом буровой части колонны.

После этого на стадии 628 выдвигают исполнительный механизм механизма наклона штроб, чтобы наклонить демонтированный трубный элемент (в данный момент захваченный и зажатый элеватором) от выравнивания по вертикали с верхним приводом. Затем на стадии 630 верхний привод опускают. Стадии 628 и/или 630 могут выполнять для ориентирования демонтированного трубного элемента относительно стеллажа для труб или другого сооружения или механизма, на которые уложат трубный элемент, когда затем откроют элеватор. Кроме того, способ 600 может предусматривать дополнительную стадию, на которой после того, как правильно сориентируют трубный элемент, открывают элеватор. Альтернативно, способ 600 можно повторно выполнять, чтобы уложить демонтированный трубный элемент на стеллаже для труб или другом сооружении или механизме, когда при повторном выполнении стадии 602 открывают элеватор. Как показано на Фиг.5C, способ 600 можно повторять для демонтажа дополнительных трубных элементов с бурильной колонны.

Рассмотрим Фиг.6, на которой представлен покомпонентный вид в перспективном изображении, по меньшей мере, части примерного варианта осуществления захватного механизма инструмента 110 для спуска, показанного на Фиг.1A-G, 2, и 3A-D, в данном случае обозначенного позицией 700. Один или несколько аспектов захватного механизма 700 практически аналогичны или идентичны одному или нескольким соответствующим аспектам захватного механизма инструмента 110 для спуска, показанного на Фиг.1A-G, 2, и 3A-D. В этом примерном варианте осуществления изобретения устройство 700, показанное на Фиг.6, практически идентично, по меньшей мере, части инструмента 110 для спуска, показанного на Фиг.1A-G, 2, и/или 3A-D.

Устройство 700 содержит элемент 710 с выточками, перфорированный элемент 720, отверстия которого могут быть круглыми или удлиненными, и несколько катящихся или скользящих элементов 730. Один или несколько аспектов элемента 710 с выточками по существу аналогичны или идентичны одному или нескольким соответствующим аспектам элемента 210 с выточками, показанного на Фиг.2. Один или несколько аспектов перфорированного элемента 720 по существу аналогичны или идентичны одному или нескольким соответствующим аспектам элемента 220 с прорезями, показанного на Фиг.2. Катящиеся или скользящие элементы 730 могут быть по существу аналогичными или идентичными катящимся или скользящим элементам 230, показанным на Фиг.2.

Как показано на Фиг.6, элемент 710 с выточками и элемент 720 с прорезями каждый содержат по три отдельных секции 710a, 720a, соответственно. Кроме того, согласно этому варианту осуществления изобретения устройство 700 содержит держатель 740, который также содержит три отдельных секции 740a. В других функционально эквивалентных конструктивных исполнениях секции 740a и 710 с могут быть объединены для создания одного цельного элемента. Каждая секция 740a держателя может содержать фланец 745, выполненный с возможностью соединения с фланцем 745 других секций 740a держателя, при этом секции 740a держателя могут быть собраны для образования чашеобразной конструкции (держателя 740), выполненной с возможностью удержания секций 710а элемента 710 с выточками, секций 720a элемента 720 с прорезями 720 и катящихся или скользящих элементов 730.

На Фиг.7A и 7B представлены разрезы устройства 700, показанного на Фиг.6, в сцепленном и расцепленном положениях, соответственно. Если рассматривать Фиг.7A и 7B вместе, по-прежнему рассматривая Фиг.6, устройство 700 может содержать несколько сегментов 700a, установленных вертикально друг на друга. Согласно примерному варианту осуществления, показанном на Фиг.7A и 7B, устройство 700 содержит четыре вертикальных сегмента 700a. Впрочем, согласно другим вариантам осуществления изобретения устройство 700 может содержать меньше или больше сегментов. Зажимающая сила, прикладываемая устройством 700 к трубному элементу, по меньшей мере, частично пропорциональна числу установленных по вертикали сегментов 700a, и увеличение числа установленных по вертикали сегментов 700a увеличивает грузоподъемность устройства 700, а также крутящий момент, который может прикладываться к трубному элементу устройством 700. Каждый из вертикальных сегментов 700a может быть практически аналогичным или идентичным, хотя верхний и нижний сегменты 700a могут содержать уникальные поверхности сопряжения для соединения с дополнительным оборудованием между верхним приводом и обсадной колонной.

Наружный профиль каждого держателя 740 сужается на конус, и при этом нижний конец каждого держателя 740 характеризуется диаметром меньше диаметра его верхнего конца. Кроме того, каждый вертикальный сегмент 700а устройства 700 содержит корпус 750, содержащий внутренний профиль, выполненный для взаимодействия с наружным профилем держателя 740 так, что когда держатель 740 перемещается вниз (относительно корпуса 750) в сцепленное положение (Фиг.7A), держатель 740 сужаетсярадиально вовнутрь, а когда держатель 740 перемещается вверх в расцепленное положение (Фиг.7B), держатель 740 расширяется радиально наружу. В настоящей заявке корпус 750 называется также аппарелью или наклонной конструкцией.

Верхний сегмент 700a устройства 700 может содержать стыковочное устройство 760, выполненное с возможностью соединения с одним или несколькими гидроцилиндрами и/или другими исполнительными механизмами (не показаны). Кроме того, каждый держатель 740 соединен со своими 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 одним или несколькими исполнительными механизмами заставляет захватные элементы 730 захватывать и зажимать наружную поверхность трубного элемента, в то время как перемещение вверх держателей 740 одним или несколькими исполнительными механизмами заставляет захватные элементы 730 отпустить трубный элемент, а затем отсоединиться от него. Сила, прикладываемая одним или несколькими исполнительными механизмами для перемещения вниз держателей 740 для того, чтобы сцепить захватные элементы 730 с трубным элементом и вызвать удерживание его посредством сил трения, является одним примером предварительного нагружения или другой силы, описанной выше для стадии 530 способа 500, показанной на Фиг.5A, стадии 564, показанной на Фиг.5B, и/или стадии 608, показанной на Фиг.5C. Держатели 740 могут быть с открытой гранью, например, чтобы минимизировать их массу, как показано на Фиг.6, 7A и 7B, но согласно другим вариантам осуществления изобретения (не показанных) могут быть с закрытой гранью, чтобы отвечать требованиям или предпочтениям в части грузоподъемности и распределения массы.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения в аспекте свинчивания в соответствии с настоящим изобретением захватные элементы могут вначале перемещаться в направлении под углом вниз в сторону трубного элемента для сцепления (или взаимодействия) с трубным элементом, помещенным в выточку в инструменте для спуска, обычно элеватором трубного элемента. Захватные элементы обычно будут тянуться вниз в своих соответствующих выточках силой тяжести, пока не дойдут до мелкого конца выточки или пока не коснутся трубного элемента. Когда трубный элемент и захватный узел перемещают в сторону друг друга, захватные элементы согласно варианту осуществления с подачей под действием силы тяжести будут принудительно подаваться дальше в сторону мелкого конца каждой выточки под действием силы тяжести и, следовательно, в радиальном направлении к трубному элементу для захвата его, но в сторону более глубокого конца каждой выточки за счет взаимодействия с ними трубного элемента. В конце концов, перемещение захватных элементов, обычно частично вниз и всегда радиально в сторону трубного элемента окажется большей силой, и захватные элементы переместятся в достаточно мелкую часть выточки для захвата трубного элемента. Как уже отмечалось, масса трубного элемента обеспечит захват даже без подачи энергии или активирования сцепленным захватным элементам, но, предпочтительно, к трубному элементу прикладывают аксиальное усилие предварительного нагружения для увеличения силы захвата захватного узла. Перемещение трубного элемента и спускного инструмента друг от друга после того, как инструмент захватывает трубный элемент, предполагается любым доступным образом, например, элеватор просто высвобождает трубный элемент в свободное падение, элеватор перемещается вниз и при этом тянет трубный элемент вниз, использование исполнительного механизма на конце или вдоль другого радиуса трубного элемента (например, отмеченное выше предварительное нагружение) и т.п., или любое сочетание этих действий, чтобы вызвать захват трубного элемента захватными элементами. После свинчивания захватные элементы оттягивают из мелкого конца или положения рядом с ним в сторону более глубокого конца их соответствующих выточек давлением или усилием высвобождения, достаточным, чтобы заставить захватный узел высвободиться из захвата. Согласно одному варианту осуществления изобретения, в котором захват происходит на наружной поверхности трубного элемента, захватный узел или, по меньшей мере, элемент с прорезями поднимают из положения захвата так, что радиальные части могут отделиться, например, посредством подпружиненного механизма между радиальными клиньями, чтобы больший концевой заплечик трубного элемента мог высвободиться посредством захватного узла. Таким образом, захватные элементы этого варианта осуществления изобретения обычно перемещают вверх и радиально наружу из положения захвата рядом с ранее удерживаемым трубным элементом для высвобождения трубного элемента просто в захваченное положение без зажатия, и затем в полностью высвобожденное положение. Следует понимать, что операция развинчивания происходит практически в обратном порядке: один трубный элемент снимают с колонны, элеватор захватывает его, затем отпускают захватный узел, и т.д. Другие операции высвобождения могут быть выполнены, как описано выше, например, путем перемещения скользящего элемента с прорезями для высвобождения захватных элементов, особенно, когда захват происходит на внутренней поверхности трубного элемента.

В свете всего вышеизложенного и примерных вариантов осуществления изобретения, показанных на Фиг.1A-1G, 2, 3A-D, 4, 5A-C, 6, 7A и 7B, должно быть ясно, что предлагаются следующие различные варианты осуществления изобретения, включающие устройство, предназначенное для манипуляции трубным элементом, содержащее: инструмент для спуска труб; элеватор трубных элементов; несколько первых исполнительных механизмов, каждый из которых проходит между инструментом для спуска и элеватором; и, факультативно, несколько вторых исполнительных механизмов, каждый из которых проходит между инструментом для спуска и соответствующим одним из первых исполнительных механизмов, причем каждый из исполнительных механизмов является независимо гидравлически или электрически управляемым. Инструмент для спуска содержит: элемент с прорезями или перфорированный элемент, содержащий несколько отверстий, которые могут представлять собой удлиненные прорези, каждая проходящая в некотором направлении; элемент с выточками, соединенный жестко, с возможностью вращения, радиального расширения или сжатия, или скольжения с элементом с прорезями и содержащий несколько выточек, каждая из которых сужается в указанном направлении от мелкого конца к глубокому; и несколько катящихся или скользящих элементов (или захватных элементов), каждый из которых удерживается между одной из нескольких выточек и одним из нескольких отверстий. Каждый из нескольких захватных элементов частично выступает через прилегающую соседнюю одну из нескольких удлиненных прорезей, будучи на мелком конце соответствующей одной из нескольких выточек, и каждый из нескольких захватных элементов отводится вовнутрь наружного периметра элемента с прорезями или, предпочтительно, частично вовнутрь наружного периметра, чтобы меньше выступать, когда смещен с мелкого конца в сторону глубокого конца соответствующей одной из нескольких выточек.

Элеватор может содержать: элемент элеватора с прорезями, содержащий несколько отверстий, которые могут представлять собой удлиненные прорези, каждая проходящая в некотором направлении; элемент элеватора с выточками, соединенный с элементом элеватора с прорезями и содержащий несколько выточек, каждая из которых сужается в указанном направлении от мелкого конца к глубокому; и несколько катящихся элементов элеватора, каждый из которых удерживается между одной из нескольких выточек и одной из нескольких удлиненных прорезей. Каждый из нескольких катящихся элементов элеватора частично выступает через прилегающую соседнюю одну из нескольких удлиненных прорезей, будучи на мелком конце соответствующей одной из нескольких выточек, и каждый из нескольких, и каждый из нескольких катящихся элементов элеватора отводится вовнутрь наружного периметра элемента элеватора с прорезями, будучи на глубоком конце соответствующей одной их нескольких выточек. Может быть предусмотрена плашка клинового захвата в полу буровой, содержащая практически аналогичное захватное устройство для захвата трубного элемента, предпочтительно, во взаимодействии со инструментом для спуска, но, предпочтительно, предназначенное удерживать всю трубную колонну без дополнительной поддержки.

Инструмент для спуска может быть выполнен с возможностью сцепления посредством сил трения с наружной поверхностью трубного элемента, достаточного для прикладывания к трубному элементу крутящего момента. Согласно одному примерному варианту осуществления изобретения крутящий момент составляет по меньшей мере около 5000 фунт-сил-футов. Согласно другому примерному варианту осуществления изобретения крутящий момент составляет по меньшей мере около 50000 фунт-сил-футов.

Согласно одному варианту осуществления изобретения каждый первый исполнительный механизм может содержать первый цилиндр, содержащий первый конец и второй конец, причем первый конец поворотно соединен с первой точкой крепления спускного инструмента, и первый шток выступает из второго конца и поворотно соединен с элеватором. Каждый второй исполнительный механизм может содержать второй цилиндр, содержащий первый конец и второй конец, причем первый конец второго цилиндра поворотно соединен со второй точкой крепления инструмента для спуска, и второй шток выступает из второго конца второго цилиндра и поворотно соединен с первым цилиндром.

Трубный элемент может быть выбран из группы, состоящей из следующего: элемент обсадной колонны ствола скважины; трубный элемент бурильной колонны; трубный элемент; и элемент колонны насосно-компрессорной трубы, снабженный муфтой. Инструмент для спуска может быть выполнен с возможностью сцепления с трубным элементом посредством сил трения, причем часть инструмента для спуска образует гидравлическое уплотнение с концом трубного элемента, когда инструмент для спуска сцеплен с трубным элементом.

Кроме того, устройство может содержать контроллер в сообщении с инструментом для спуска, элеватором и первым и вторым исполнительными механизмами. Контроллер может быть выполнен с возможностью автоматизации работы подъемника и первого и второго исполнительных механизмов при сцеплении элеватора и трубного элемента. При этом автоматизация может предусматривать, кроме прочего, учет оборотов, измерение и прикладывание крутящего момента и управление оборотами устройства за единицу времени среди других возможных аспектов автоматизации. Элеватор может быть выполнен с возможностью сцепления с наружной поверхностью аксиально-промежуточной частью трубного элемента. Контроллер может быть выполнен с возможностью автоматизации работы инструмента для спуска, элеватора и первого и второго исполнительных механизмов при сцеплении инструмента для спуска и трубного элемента. Инструмент для спуска может быть выполнен с возможностью сцепления и захвата наружной поверхности другой аксиально-промежуточной части трубного элемента.

Согласно настоящему изобретению раскрывается также способ управления трубным элементом, предусматривающий: захват наружной поверхности аксиально-промежуточной части трубного элемента элеватором трубных элементов, и использование нескольких штроп, проходящих между элеватором и инструментом для спуска труб, чтобы тем самым расположить конец трубного элемента в инструменте для спуска. Способ предусматривает также захват инструментом для спуска наружной поверхности другой части трубного элемента, в том числе прикладывание аксиального усилия к концу трубного элемента в инструменте для спуска. Прикладывание аксиального усилия к концу трубного элемента может предусматривать использование гидравлического цилиндра или другого гидравлического или электрического устройства для перемещения элемента с выточками захватного механизма относительно корпуса захватного механизма, тем самым, вызывая захват трубного элемента каждым из нескольких катящихся или скользящих элементов захватного механизма.

Способ может также предусматривать отсоединение элеватора трубных элементов от трубного элемента, и отсоединение инструмента для спуска от трубного элемента. Отсоединение инструмента для спуска от трубного элемента может предусматривать снятие аксиального усилия, которое прикладывают к концу трубного элемента в инструменте для спуска. Способ может также предусматривать вращение трубного элемента путем вращения инструмента для спуска, когда трубный элемент захвачен инструментом для спуска, в том числе прикладывание к трубному элементу крутящего усилия, причем крутящее усилие составляет не менее примерно 5000 фунт-сил-футов.

Согласно настоящему изобретению раскрывается также устройство для управления трубным элементом, содержащее: средство для захвата наружной поверхности аксиально-промежуточной части трубного элемента; средство для расположения захватного средства, чтобы тем самым расположить конец захваченного трубного элемента в инструменте для спуска, и средство для прикладывания аксиального усилия к концу трубного элемента в инструменте для спуска, чтобы тем самым захватить инструментом для спуска наружную поверхность другой части трубного элемента.

Способность захватывать трубный элемент в месте, удаленном от конца (например, в промежуточной части, определенной пределом захвата), в сочетании со способностью поднимать трубный элемент без повреждения трубного элемента и затем вставлять в устройство управления, все без ручного труда или с минимальным его применением для работы с трубным элементом, представляет собой то, что не делалось раньше, и удовлетворяет давно испытываемую потребность в отрасли. Один или несколько аспектов настоящего изобретения могут улучшить способы захвата, которые могут позволить элеватору захватывать и поднимать или опускать трубный элемент без повреждения его чувствительной наружной поверхности. Кроме того, один или несколько аспектов настоящего изобретения могут значительно сократить время, затрачиваемое на добавление каждого нового трубный элемент в колонну в стволе скважины, за счет сокращения времени технологической операции, требовавшегося ранее для оценки и осуществления управления каждым трубным элементом и выполнения соединений. Продолжительность цикла спуска или подъема трубного элемента может быть составлять не более 2-4 минуты, обычно, примерно 2,5-3 минуты. Вместе с тем, в пределах объема настоящего изобретения могут быть и другие выгоды и преимущества.

Выше вкратце описаны признаки нескольких вариантов осуществления изобретения, чтобы специалисты могли лучше понять аспекты настоящего изобретения. Специалистам должно быть ясно, что они могут легко использовать настоящее изобретение как основу для разработки или изменения других процессов и конструкций для достижения тех же целей и/или тех же преимуществ, достижимых описанными вариантами осуществления изобретения. Кроме того, специалистам должно быть ясно, что эти эквивалентные конструкции находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения, и что они могут вносить различные изменения и замены в пределах сущности и объема настоящего изобретения.

Группа изобретений относится к устройствам и способам управления трубными элементами во время спускоподъемных операций. Устройство управления трубными элементами содержит инструмент для спуска труб, элеватор трубных элементов и механизм предварительного нагружения. Инструмент для спуска труб включает в себя элемент с прорезями, содержащий несколько удлиненных прорезей, проходящих в направлении, параллельном продольной оси трубного элемента, элемент с выточками, соединенный с элементом с прорезями и содержащий несколько выточек, каждая из которых проходит между глубоким концом и мелким концом, и несколько скользящих элементов, соединенных с несколькими прорезями и выточками и выполненных с возможностью перемещения в том же направлении, что и трубный элемент во взаимодействии с ними, так что инструмент захватывает трубный элемент. Элеватор выполнен с возможностью функционального соединения трубного элемента с инструментом для спуска труб. Механизм предварительного нагружения выполнен с возможностью реверсивно прикладывать аксиальную силу к концу трубного элемента, захваченному в инструменте для спуска труб для того, чтобы зажать трубный элемент. При этом инструмент для спуска труб выполнен с возможностью захвата каждого трубного элемента для обеспечения несущей способности с тем, чтобы предотвратить падение трубного элемента независимо от действия элеватора трубных элементов. Изобретение обеспечивает повышение безопасности работ. 6 н. и 21 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство управления трубными элементами, содержащее:
инструмент для спуска труб, содержащий:
элемент с прорезями, содержащий несколько удлиненных прорезей, каждая из которых проходит, по меньшей мере, частично в направлении, по существу параллельном продольной оси трубного элемента, управление которым осуществляют;
элемент с выточками, функционально соединенный с элементом с прорезями и содержащий на своей поверхности несколько выточек, каждая из которых проходит между глубоким концом и мелким концом; и
несколько скользящих элементов, функционально соединенных с несколькими удлиненными прорезями и несколькими выточками и выполненных с возможностью перемещения в том же направлении, что и трубный элемент во взаимодействии с ними, так что инструмент захватывает трубный элемент,
элеватор трубных элементов, выполненный с возможностью функционального соединения трубного элемента с инструментом для спуска труб; и
механизм предварительного нагружения, который выполнен с возможностью реверсивно прикладывать аксиальную силу к концу трубного элемента, захваченному в инструменте для спуска труб для того, чтобы зажать трубный элемент;
при этом инструмент для спуска труб выполнен с возможностью захвата каждого трубного элемента для обеспечения несущей способности с тем, чтобы воспрепятствовать или предотвратить падение трубного элемента или трубной колонны, прикрепленной к нему, независимо от действия элеватора трубных элементов.

2. Устройство управления трубными элементами по п. 1, в котором элеватор трубных элементов соединен с инструментом для спуска труб и выполнен с возможностью передачи трубных элементов между источником трубных элементов и инструментом для спуска труб.

3. Устройство управления трубными элементами по п. 2, в котором инструмент для спуска труб и элеватор трубных элементов соединены не более чем парой исполнительных механизмов.

4. Устройство управления трубными элементами по п. 3, в котором не более чем пара исполнительных механизмов функционально соединена со штропами, обеспечивающими расположение части трубного элемента в инструменте для спуска труб.

5. Устройство управления трубными элементами по п. 1, в котором несколько скользящих элементов каждый отводятся, по меньшей мере, частично в соответствующую выточку, когда устройство управления трубными элементами находится в положении захвата для захвата трубного элемента.

6. Способ управления трубным элементом во время операции крепления ствола скважины обсадными трубами или бурения, предусматривающий:
захват элеватором трубных элементов части поверхности трубного элемента;
использование элеватора трубных элементов для расположения трубного элемента, управление которым осуществляют, в инструменте для спуска;
реверсивное приложение аксиальной силы к концу трубного элемента, захваченному в инструменте для спуска труб для захвата трубного элемента; и
захват по меньшей мере второй, другой части поверхности трубного элемента при помощи части инструмента для спуска для того, чтобы удерживать трубный элемент за счет направленной вниз силы, создаваемой массой трубного элемента или трубной колонны, прикрепленной к нему, взаимодействующей с частью инструмента для спуска во второй, другой части поверхности.

7. Способ по п. 6, дополнительно предусматривающий отсоединение элеватора трубных элементов после захвата и удерживания трубного элемента инструментом для спуска.

8. Способ по п. 7, в котором отсоединение элеватора трубных элементов осуществляют автоматически после достижения инструментом для спуска положения захвата.

9. Способ по п. 6, дополнительно предусматривающий спуск трубного элемента, захваченного инструментом для спуска, на несущую поверхность для того, чтобы дополнительно поджать конец трубного элемента в выточку в инструменте для спуска.

10. Способ управления трубным элементом во время операции крепления ствола скважины обсадными трубами или бурения, предусматривающий:
использование инструмента для спуска для взаимодействия с и реверсивного приложения аксиальной силы к концу трубного элемента трубной секции с механизмом предварительного нагружения, захваченному в инструменте для спуска труб для захвата трубной секцией, содержащей от одного до трех трубных элементов;
прикладывание вращающей силы к трубной секции, по меньшей мере одна поверхность которой сцеплена с частью инструмента для спуска и захвачена ею, для того, чтобы, по меньшей мере, частично отсоединить трубную секцию от трубной колонны;
использование элеватора трубных элементов для взаимодействия с трубной секцией или ее частью и ее захвата, и
подъем трубной секции относительно инструмента для спуска для того, чтобы отделить трубную секцию от трубной колонны и отсоединить сцепленную и захваченную поверхность трубной секции от части инструмента для спуска.

11. Способ по п. 10, дополнительно предусматривающий спуск инструмента для спуска и одновременный подъем трубной секции на относительно большее расстояние, чем расстояние, на которое спускают инструмент для спуска, чтобы обеспечить отделение трубной секции от оставшейся трубной колонны.

12. Способ управления трубным элементом во время операции крепления ствола скважины обсадными трубами или бурения, предусматривающий:
использование инструмента для спуска для взаимодействия с и реверсивного приложения аксиальной силы к концу трубного элемента трубной секции с механизмом предварительного нагружения, захваченному в инструменте для спуска труб для захвата трубной секцией, содержащей трубный элемент;
прикладывание вращающей силы к трубной секции, по меньшей мере одна поверхность которой захвачена и зажата хомутной частью, характеризующейся радиальной формой, инструмента для спуска, чтобы, по меньшей мере, частично отсоединить трубную секцию от трубной колонны;
использование элеватора трубных элементов для взаимодействия с трубной секцией или ее частью и ее захвата, и
перемещение хомутной части инструмента для спуска в направлении, характеризующимся, по меньшей мере, аксиальной составляющей вдоль захваченной трубной секции, для отсоединения хомутной части инструмента для спуска по меньшей мере от одной части поверхности трубной секции.

13. Способ по п. 12, дополнительно предусматривающий полное извлечение трубной секции из устройства управления трубными элементами.

14. Инструмент для спуска труб, содержащий:
элемент с прорезями, содержащий несколько удлиненных прорезей, каждая из которых проходит, по меньшей мере, частично в направлении, по существу параллельном продольной оси трубного элемента, управление которым осуществляют;
элемент с выточками, функционально соединенный с элементом с прорезями и содержащий несколько выточек, причем выточки проходят от глубокого конца к мелкому концу;
несколько скользящих элементов, функционально соединенных с несколькими удлиненными прорезями и несколькими выточками; и
механизм предварительного нагружения, который выполнен с возможностью реверсивно прикладывать аксиальную силу к концу трубного элемента, захваченному в инструменте для спуска труб для того, чтобы зажать трубный элемент;
причем захватная часть инструмента для спуска выполнена с возможностью сцепления посредством сил трения по меньшей мере с одной поверхностью трубного элемента, достаточного для прикладывания к трубному элементу крутящего момента исключительно посредством захватный части.

15. Инструмент для спуска труб по п. 14, в котором несколько удлиненных прорезей зафиксированы относительно нескольких выточек.

16. Инструмент для спуска труб по п. 14, в котором инструмент для спуска выполнен с возможностью сцепления посредством сил трения с внутренней поверхностью трубного элемента.

17. Инструмент для спуска труб по п. 14, в котором каждый из нескольких скользящих элементов отводится частично в соответствующую прорезь и выточку, когда устройство для манипуляции трубными элементами находится в высвобожденном положении для того, чтобы не захватывать трубный элемент.

18. Инструмент для спуска труб по п. 14, в котором несколько скользящих элементов выполнены с возможностью захвата трубного элемента при перемещении трубного элемента от инструмента для спуска.

19. Инструмент для спуска труб по п. 14, функционально соединенный с устройством управления, выполненным с возможностью подачи трубного элемента в инструмент для спуска или извлечения трубного элемента из него для того, чтобы обеспечить повторную загрузку инструмента для спуска следующим трубным элементом.

20. Плашка клинового захвата в полу буровой, выполненная с возможностью удержания трубного элемента или трубной колонны, содержащая:
компонент с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой, содержащий несколько удлиненных прорезей, каждая из которых проходит, по меньшей мере, частично в направлении, по существу параллельном продольной оси трубной колонны, управление которой осуществляют;
компонент с выточками плашки клинового захвата в полу буровой, функционально соединенный с элементом с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой и содержащий на своей поверхности несколько выточек плашки клинового захвата в полу буровой, которые проходят между глубоким концом и мелким концом;
несколько катящихся захватных компонентов плашки клинового захвата в полу буровой, каждый из которых функционально соединен с соответствующей одной из удлиненных прорезей плашки клинового захвата в полу буровой и одной из выточек плашки клинового захвата в полу буровой; и
систему блокировки, выполненную с возможностью предотвращения высвобождения одного или нескольких трубных элементов, захваченных плашкой клинового захвата в полу буровой, пока не будет автоматического подтверждения, что один или несколько трубных элементов захвачены функционально соединенным инструментом для спуска;
причем каждый из нескольких катящихся захватных компонентов плашки клинового захвата в полу буровой отводится, по меньшей мере, в части компонента с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой, будучи смещенным от мелкого конца соответствующей выточки плашки клинового захвата в полу буровой.

21. Плашка клинового захвата в полу буровой по п. 20, реверсивно прикрепленная к полу буровой вышки.

22. Плашка клинового захвата в полу буровой по п. 20, в которой каждый из нескольких компонентов плашки клинового захвата в полу буровой выполнен с возможностью отвода, по меньшей мере, частично по меньшей мере в одну прорезь компонента с прорезями плашки клинового захвата в полу буровой, когда плашка клинового захвата в полу буровой находится в положении захвата для захвата трубного элемента или трубной колонны.

23. Плашка клинового захвата в полу буровой по п. 20, выполненная с возможностью обеспечения несущей способности для трубного элемента или трубной колонны, подвешенной к нему.

24. Плашка клинового захвата в полу буровой по п. 20, выполненная с возможностью реверсивного соединения и вращения при захвате вращающегося трубного элемента или трубной колонны.

25. Плашка клинового захвата в полу буровой по п. 20, выполненная с возможностью переключения между положением захвата и положением высвобождения гидравлически или пневматически.

26. Плашка клинового захвата в полу буровой по п. 20, дополнительно содержащая запирающий механизм для запирания плашки клинового захвата в полу буровой вокруг трубного элемента или трубной колонны.

27. Плашка клинового захвата в полу буровой по п. 20, дополнительно содержащая центрирующий механизм, выполненный с возможностью центрирования трубной колонны с центром ствола скважины.