同步管件裝卸系統(tǒng)

背景技術(shù)：
1.技術(shù)領域本發(fā)明涉及在鉆井作業(yè)同步并獨立地進行著的時候，在單獨的鉆井甲板、井架和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中或它們周圍運輸、安裝、貯存及拆卸油田管件的新方法和系統(tǒng)。2相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)在海上和陸地利用旋轉(zhuǎn)式鉆塔鉆取石油或天然氣的深度越來越深。深度的增加也就意味著鉆油時間的增長以及費用的增加。用于這種鉆塔運行費用已經(jīng)相當?shù)母?一些海上鉆井平臺的租金每天甚至超過400,000至500,000美元)。因此，任何獨立于鉆井操作以節(jié)省哪怕少量時間的生產(chǎn)運行都在經(jīng)濟上很有意義。術(shù)語“管件”在這是指所有類型的鉆桿(包括重型鉆桿，例如HEVI-WATETM管)、套管、鉆鋌、尾管、井底組件以及現(xiàn)有技術(shù)中其它類型的管。HEVI-WATETM是得克薩斯州休斯頓史密斯國際有限公司的注冊商標。當管件串的一小部分在鉆井甲板上延伸時，鉆井的運轉(zhuǎn)時常被中斷。其它管件必須從貯存架移出并與管件串的頂端連接，這將很大程度地耽誤鉆井作業(yè)的進行。典型的單根鉆桿段的長度為30英尺(大約10米)。將兩個或更多的管件單段連接在一起從而形成立根。過去，立根通常由四個或五個管件單段組裝或組成。通常在旋轉(zhuǎn)臺上采用頂端驅(qū)動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)來轉(zhuǎn)動鉆柱，也是現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)鉆井中普遍采用的方法。頂端驅(qū)動的一個好處在于可使用預先組裝好的管件立根。因此，獨立于鉆井過程來形成和操作管件立根是一種潛在的節(jié)省時間和費用的重要方法。Lund的美國專利US4,850,439中公開了一種與鉆井運轉(zhuǎn)同時進行的裝卸管件的方法和系統(tǒng)，其公開的內(nèi)容以參引的方式結(jié)合到本文中。Lund采用一種預備孔和輔助升降機進行立根離線組裝。Lund提出，在鉆井運轉(zhuǎn)的同時，當輔助升降機向上移動時將第一管件提升到豎直位置，從而將管件懸至纜索上并繼而降下，放入預備孔中。Lund提出，另一管可懸至第一管件上方并進行連接(專利‘439，第7欄第58行至第8欄第19行)。至于第三個管件，如果預備孔頂端之下的自由空間小于兩個管件的長度，Lund提出采用另一個輔助升降機。在這種情況下，必須將預備孔從第一輔助升降機的豎直懸掛線上移開或與其形成一傾斜角度(專利’439，第9欄第58行至第10欄第46行)。新加坡的斯梅德維格(Smedvig)亞洲股份有限公司提供了另一種離線組裝立根的方法和系統(tǒng)。Smedvig采用自動提升的海上供應船鉆塔將鉆井設備運送并安裝至平臺上。在將鉆井設備安裝在平臺上之后，Smedvig采用了將管件從供應船鉆塔運送到平臺上的高架纜索系統(tǒng)、位于井架頂端的平行于鉆井甲板移動的桁架起重機、以及兩個預備孔。Smedvig建議，在平臺上進行鉆井作業(yè)時，可在水平位置將鉆塔上的單根管件的兩端手動連接至高架纜索系統(tǒng)。該高架纜索系統(tǒng)是用于提升管件并將其從鉆塔上跨過水面運送至位于平臺上的管件坡道。然后手工將一個由纜索連接于桁架起重機的提升裝置的夾緊裝置連接于管件坡道上的管件的上端。管件繼而被提升至豎直位置，并由纜索懸掛在第一預備孔上方。隨后，將該管件放入該預備孔中，最后松開夾緊裝置。可對第二管件重復上述步驟，將其懸空送入第二預備孔中。同樣可以對第三管件實施該步驟，將其與第一管件連接，從而形成雙立根。接著，通過桁架起重機提起該雙立根，并將其放下與第二管件連接，從而形成三元組。桁架起重機將組裝后的立根提起并運送至井架頂端豎直的管件存放架。Smedvig還提出該第一預備孔可具有一用于容納不同尺寸管件的可調(diào)節(jié)底部。Berry的美國專利US6,976,540中披露了另一離線立根組裝的方法和系統(tǒng)，其公開的內(nèi)容以參引的方式結(jié)合到本文中。Berry在該申請中提出的方案中包括負載和預備鉆桿的裝卸裝置(“預備裝置”)，存放鉆桿的操作裝置(“存放裝置”)和井架頂端的管件存放區(qū)。該預備裝置包括可圍繞其縱軸旋轉(zhuǎn)的豎直桁架。該預備裝置還包括連接于從豎直桁架伸出的升降纜索端部的夾緊裝置。該夾緊裝置手動地連接于已經(jīng)被放置在架空步道上的預備裝置或鉆桿坡道附近的管件一端，管件，從而當纜索向預備裝置縮回時，被提升的管件由纜索懸掛著，這類似于Lund和Smedvig系統(tǒng)。Berry提出，桁架隨后通過一環(huán)形軌道將豎直管件懸掛入第一預備孔，其已經(jīng)沿著該軌道放置。該預備裝置接著可將第一管件放入第一預備空中。其采用兩個預備孔來實施立根的組裝類似于Smedvig系統(tǒng)。該預備裝置隨后將該組裝后的立根豎直提升至該井架頂端，并直接與該存放裝置進行交接，該存放裝置可以為鉆井作業(yè)存放或運送該立根(‘540專利，第7欄第26-40行和第8欄第30-35行)。采油工業(yè)已經(jīng)具有在線將管件從管件坡道上的水平位置運送至鉆井中心的豎直位置的系統(tǒng)。Brittian等人的美國專利US4,834,604公開了這樣的一個系統(tǒng)，其公開的內(nèi)容以參引的方式結(jié)合到本文中。Brittian提供了連接至懸臂的定位板，該懸臂轉(zhuǎn)動安裝在靠近鉆塔的基座上。該定位板直接將管件從水平位置穿過V型通道運送到豎直位置，從而形成管件與管件串之間的連接。Sorokan的美國專利US6,220,807揭露了另一個系統(tǒng)，其公開的內(nèi)容以參引的方式結(jié)合到本文中。在線鉆桿裝卸系統(tǒng)是采用樞轉(zhuǎn)地連接至鉆塔的雙頭臂組件，以及均樞轉(zhuǎn)地連接至該雙頭臂組件的前臂組件和夾頭組件。該夾頭組件夾取水平放置在靠近鉆塔的管件架上的管件，并將其旋至鉆井中心上方的豎直位置。Skogerbo的公開號US2006/0151215的文獻中提供了一種將管件從水平位置轉(zhuǎn)為豎直位置的裝卸系統(tǒng)。Skogerbo公開了一種EagleLight/HTV-Arm，得克薩斯州休斯頓市的AkerKvaernerMH銷售這種裝置。EagleLight/HTV(水平至豎直)裝置用于在線將管件從架空步道上的水平位置直接運送到井架上的豎直位置，從而直接位于鉆井中心上方的，或進入鼠洞之中。AkerKvaernerMH還銷售橋式桁架起重機系統(tǒng)以及存放指梁。得克薩斯州休斯敦市的國際油井Varco也制造了一種類似的HTV在線鉆桿裝卸設備。Simpson等人的美國專利US6,705,414中揭露了另一種用于在桁架上的水平位置與油井中心上方的豎直位置之間運送管件的在線方法和設備。Simpson提出了一種用于在架空步道水平位置上組裝管件立根的裝配機械。組裝好的立根位于吊車吊取的水平位置，并且在鉆塔入口處變成豎直方向。纜索絞盤將被吊車夾緊的立根向前并向上拉到一軌道上。位于井架上部的豎直桁架裝置用來運送來自吊車的立根。上述管件裝卸方法和系統(tǒng)的缺點包括人與管件之間的接觸以及多個階段多個位置的提升設備，這些將導致昂貴的延期或人身傷害。對準以及運送操作過于冗長并且復雜。離線立根組裝中管件的路徑受到限制，這也將引起延期并存在安全隱患。當設備被用于在線的鉆井作業(yè)中時，離線立根組裝操作將被中斷。因此，期望一種用于裝卸管件的更有效的方法和系統(tǒng)，其能最小化或消除人體與管件和提升裝置之間的接觸，在整個離線操作中約束并控制管件的路徑，將管件的低效率移動最小化并消除管件組裝和鉆井作業(yè)中任何可能的中斷。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明提供一種用于組裝和操作油田管件立根的系統(tǒng)和方法，其用于單獨的井架、鉆井甲板和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，并將離線立根組裝步驟與鉆井過程分離。導向路徑水平-豎直臂(“HTV”)將水平放置在架空步道上的一些管件提起，并繼而將這些管件移至一個單獨的豎直面內(nèi)，使得不會與鉆井作業(yè)相互干涉，并且減少了多個鉸接動作。HTV使得管件在所述架空步道和預備孔之間移動，從而對管件立根進行組裝或拆卸。定位一個立根臂來升降管件，將其放入/拉出預備孔，并豎直地運送這些管件，從而將它們存放入位于井架上部的輔助管件吊架站。同樣裝在井架上部的橋式桁架起重機將管件立根從輔助管件吊架站上移走，并將它們運送至頂端驅(qū)動器或井架上的另一管件吊架站。通過該輔助管件吊架站，離線立根組裝過程得到優(yōu)化，當橋式桁架起重機由于其需要參與到同時進行的鉆井作業(yè)而不可用時，離線立根組裝過程不會被中斷。附圖說明通過對附圖中所公開的各實施例進行如下的詳細說明，將能更好地理解本發(fā)明。圖1是本發(fā)明中鉆塔示例性實施方式的正視圖。圖2是沿圖1中線2-2所示的架空步道、主管件運送站、主管件裝卸站以及輔管件裝卸站的局部平面圖，；圖2A是立根臂、預備孔、以及輔助管件吊架站的平面圖，與圖2以及其它附圖不同的是，本圖中示出了這些部件處于彼此不同的替換位置。圖3是沿圖1中線3-3所示的橋式桁架起重機、輔助管件吊架站以及第一和第二管件吊架站的局部平面圖。圖4是沿圖1中線4-4的局部視圖，示出了橋式桁架起重機、第一和第二管件吊架站，并以虛線示出了橋式桁架起重機的不同位置，帶有或不帶有套管框架。圖5是沿圖1中5-5線的局部視圖，示出了鉆塔V型通道以及導向路徑水平-豎直臂(“HTV”)。圖6是管件HTV的放大正視圖，以實線示出管件處于水平位置，虛線示出管件位于豎直位置管件。圖7是將管件圖6圍繞豎直軸線旋轉(zhuǎn)90度得到的HTV的正視圖，圖中管件位于水平位置。圖8是本發(fā)明橋式桁架起重機放大的局部正視圖。圖9是橋式桁架起重機上用于搬運套管段或立根的附件的詳細的正視圖。圖10是預備孔的剖視圖，其示有滑輪纜索的部分用虛線示出。圖11是圍繞圖10中豎直軸線旋轉(zhuǎn)90度的視圖，示出了預備孔。圖12是圖11中所示的本發(fā)明預備孔的局部放大圖。圖13是沿圖10中線13-13的預備孔的截面圖。圖14是沿圖10中線14-14的預備孔的截面圖。圖15是沿圖10中線15-15的預備孔的截面圖。圖16是沿圖2中線16-16的正視圖，其示出了HTV降下，以夾緊位于第一水平位置的管件的。圖17是類似于圖16的視圖，其中HTV和管件被提升至第二水平位置。圖18類似于圖16，其中HTV將管件引導到與預備孔對準的豎直位置，如圖10和11所示，還示出了甲板起重機將套管段(casingsection))運送至在線滑架(onlinecarriage)，以送往油井中心。圖19類似于圖16，示出HTV將管件下降到預備孔中，同時套管段定位在滑架上。圖20類似于圖16，圖中HTV提升，立根臂將鉆桿段提起并偏離預備孔，同時，頂端驅(qū)動裝置夾住被在線滑架朝著油井中心運送的套管段。圖21類似于圖16，其中HTV夾住第二鉆桿段，而油井中心上方的在線頂端驅(qū)動裝置同時將...