CN101287887B - 具有无线遥测装置的管道工具 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于在油气井钻井操作期间测量管柱的希望钻井参数的系统，其包括：一顶部驱动装置；一管道工具，其可与管柱接合并联接到顶部驱动装置上以将平移力和旋转力从顶部驱动装置传递给管柱；和一个或多个测量装置，其安装到管道工具上以在油气井钻井操作期间测量管柱的希望的钻井参数。

Description

具有无线遥测装置的管道工具

技术领域

本发明涉及钻井操作，更特别地涉及用于辅助管柱装配的装置，所述管柱例如为套管柱、钻柱等；和/或涉及用于在钻井操作期间测量钻井参数的装置。 

现有技术

油井钻探包括装配钻柱和套管柱，每个钻柱包括从石油钻机向下伸入孔中的多个细长、沉重的管段。管柱由多个螺纹接合在一起的管段组成，其中最下面的管段(即，伸入孔中最远处的管段)在其下端安装钻头。典型地，套管柱围绕钻柱布置以在钻孔后给井孔加衬并确保孔的完整性。套管柱同样由多个管段组成，所述管段螺纹联接在一起并且形成有其尺寸接收钻柱和/或其它管柱的内径。 

将多个套管段联接在一起以形成套管柱的传统方式是涉及使用“扶套管入扣的钻工”和套管钳的劳动密集型方法。手动控制扶套管入扣的钻工以将套管段插入已有套管柱的上端，并且套管钳设计成能接合和旋转所述套管段以使其螺纹连接到套管柱上。尽管这种方法是有效的，但是该方法由于步骤手动完成而变得繁重和相对低效。另外，套管钳要求套管工正确接合套管段并将该套管段联接到套管柱上。因此，这种方法是相对劳动密集的，从而成本昂贵。而且，使用套管钳需要安装脚手架或其它类似结构，因此效率变低。 

因此，对于本领域普通技术人员来说显而易见的是不断需要在钻探系统中使用的装置，所述系统利用已有的顶部驱动装置有效地装配管柱，并且有效接合管段以确保将管段正确地联接到管柱上。 

与油井钻探相关的另一个问题包括与在钻井操作期间精确测量油气井系统中的钻井参数相关的困难，所述参数例如为管柱重量、扭矩、 振动、转速、角位置、转数、钻进速度和内压力。目前测量和观察这类钻井参数的方法通常是间接的，这是指在便于到达的位置对它们进行测量，而不必位于实际的管柱上。 

例如，管柱重量经常通过测量作用于提起或降下管柱的提升系统的缆索上的拉力来间接测量。这种测量由于与缆索、滑轮和附接于缆索上的测量装置相关的摩擦力而不够精确。 

管柱扭矩难以测量，这是因为通常难以测量旋转或驱动管柱的扭矩驱动系统的输出扭矩。例如，典型地，管柱利用称作回转工作台的大机械传动装置旋转或直接通过称作顶部驱动装置的大马达进行旋转。这些驱动系统中每一个的输出扭矩不能容易地测量，大多数通常由使用顶部驱动装置时流过驱动马达的电流进行计算，或者在使用回转工作台时通过测量驱动回转工作台的驱动链的张力得出。这两种方法都是非常不精确的并且易受可以导致读数不一致的外部因素影响，例如使用顶部驱动装置时流过驱动马达的杂散电流，或者使用回转工作台时被测机械装置的磨损。 

另一个难以测量的钻井参数是振动。管柱振动对其部件，尤其是位于管柱末端的钻出井孔的钻头造成非常大的损坏。 

已经提出各种方法解决与在钻井操作期间测量钻井参数有关的上述问题，包括在提升系统或顶部驱动系统的部件上安装各种仪器用插脚。已经尝试了其它更为直接的方法，但只取得了有限的成功。例如，人们在起重机的顶部上安装用于测量起重机上的提升系统拉力的负载传感器。这些传感器通常称作顶滑轮重量传感器。 

已经研制了用于直接测量管柱上的扭矩和振动的各种其它装置。例如，与回转工作台一起使用的这样一种装置包括附接到在回转工作台顶部上且位于工作台和方钻杆补心(称作凯氏方钻杆补心)之间的盘。然而，目前越来越多的油气井钻探系统使用顶部驱动钻井系统以代替回转工作台，因为这种方法不是人们所希望的并且可能被淘汰。 

其他人尝试制造直接螺纹旋入管柱中的专用仪表用附件。这样一种装置体积庞大，不能放入已有的顶部驱动系统中。这些装置提供了 在测量钻井参数方面希望的精度，但是由于大小与形状而牺牲了钻井设备。另外，这些装置需要对顶部驱动系统进行重新设计来容纳它们。 

因此，需要一种在钻井操作期间精确测量钻井参数的设备和方法，它们无需对附接的顶部驱动装置进行改型。本发明解决了这些及其它需要。 

发明内容

在一个实施例中，本发明是一种用于在油气井钻井操作期间测量管柱的希望钻井参数的系统，其包括：一顶部驱动装置；一管道工具，其可与管柱接合并联接到顶部驱动装置上以将平移力和旋转力从顶部驱动装置传递给管柱；和一个或多个测量装置，其安装到管道工具上以在油气井钻井操作期间测量管柱的希望的钻井参数。 

通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中，所述附图以举例方式显示了本发明的特征。 

附图说明

图1是钻机的立面侧视图，所述钻机整合有根据本发明的一个示例性实施例的管道工具； 

图2是以放大比例尺显示的图1所示管道工具的侧视图； 

图3是沿图2所示直线3-3剖开的剖视图； 

图4是沿图2所示直线4-4剖开的剖视图； 

图5A是沿图2所示直线5-5剖开的剖视图，显示了处于脱离位置的卡盘/吊卡； 

图5B是类似于图5A的剖视图，显示了处于接合位置的卡盘/吊卡； 

图6是包括在本发明的一个示例性实施例中的部件的框图； 

图7是本发明的另一个示例性实施例的侧视图； 

图8是根据本发明的一个实施例的管道工具的剖视图，其中示意性地显示了顶部驱动装置； 

图9是在图8所示管道工具中使用的卡瓦缸的透视图； 

图10是根据本发明另一实施例的管道工具的部分剖开的侧视图； 

图11是根据本发明的又一实施例的管道工具的部分剖开的侧视图；和 

图12是图8中一部分的放大图。 

具体实施方式

如图1-12所示，本发明涉及在钻探系统等中用于将管段螺纹连接到管柱上的管道工具(在下文中使用时，术语“管段”应当理解为套管段和/或钻段，而术语“管柱”应当理解为套管柱和/或钻柱)。 

根据本发明的管道工具接合管段并进一步联接到已有顶部驱动装置上，使得在管段和管柱之间的螺纹接合操作期间，顶部驱动装置的旋转给所述管段施加扭矩。在一个实施例中，管道工具还用于在钻井操作期间将平移力和旋转力从顶部驱动装置传递给管柱。在这个实施例中，所述管道工具包括用于在钻井操作期间测量钻井参数的测量装置。 

在下面的详细说明中，相同的参考标记用于在不同的附图中表示相同或相应的元件。现在参考图1和2，显示出描述了本发明的一个示例性实施例的管道工具10，所述管道工具设计成在装配例如钻柱、套管柱等的管柱过程中使用。例如图2所示，管道工具10通常包括框架组件12、旋转轴14和管接合组件16，所述管接合组件联接到旋转轴14上以与其一起旋转。管接合组件16设计成选择性地接合管段11(例如图1、2和5A中所示)以充分避免管段11和管接合组件16之间的相对旋转。例如图1所示，旋转轴14设计成与已有顶部驱动装置24的顶部驱动装置输出轴28相联，使得通常用于使钻柱旋转以钻出井孔的顶部驱动装置24可用来将管段11装配到管柱34上，如下面更详细描述的那样。 

如图所示，例如，在图1中，管道工具10可设计成在钻井机18中使用。授权给Boyadjieff的美国专利号4,765,401公开了这种钻井机 的适当实例，该文献在此全文引入作为参考。如图1所示，钻井机18包括框架20和一对导轨22，通常表示为24的顶部驱动装置可以沿所述轨道安放以便相对于钻井机18竖向移动。顶部驱动装置24优选地为用于使钻柱旋转以钻出井孔的传统顶部驱动装置，如授权给Boyadjieff的美国专利号4,605,077中所述，该文献在此引入作为参考。如本领域中传统的那样，顶部驱动装置24包括驱动马达26和从所述驱动马达26向下伸出的顶部驱动装置输出轴28，其中可操作驱动马达26使驱动输出轴28旋转。钻井机18界定了具有中心开口32的钻台30，诸如钻柱和/或套管柱的管柱34通过所述中心开口向下伸入井孔中。 

钻井机18还包括齐平安装的卡盘36，该卡盘配置为在管柱从卡盘36向下伸入井孔中时可松开地接合所述管柱34并支撑其重量。如本领域中熟知的那样，卡盘36包括通常界定了中心通道的圆柱形外壳，管柱34可以穿过所述中心通道。卡盘36包括多个卡瓦，所述卡瓦位于所述外壳内并在脱离和接合位置之间有选择地移动，其中卡瓦被径向向内驱动到相应的接合位置以紧密接合管柱34，从而防止管柱34相对于卡盘外壳的相对运动或旋转。卡瓦优选地通过液压或气动系统在脱离和接合位置之间驱动，但是也可以通过其它适当的装置驱动。 

主要参考图2，管道工具10包括框架组件12，该框架组件包括一对从连杆接头42向下伸出的连杆40。连杆接头42界定了中心开口44，顶部驱动装置输出轴28可以穿过所述中心开口。在中心开口44的径向相对侧上安装到连接接头42上的是分别向上延伸的管形构件46(图1)，所述管形构件46隔开预定距离以允许顶部驱动装置输出轴28从其间穿过。相应管形构件46的上端连接到旋转头48上，所述旋转头连接到顶部驱动装置24上以与其一起运动。旋转头48界定了可使顶部驱动装置输出轴28穿过的中心开口(未显示)，并且还包括轴承(未显示)，所述轴承接合管形构件46的上端并允许管形构件46相对于旋转头本体转动，如下文更详细描述的那样。 

顶部驱动装置输出轴28的下端终止于内花键联轴器52中，所述 内花键联轴器52与管道工具10的旋转轴14的上端(未显示)相接合。在一个实施例中，管道工具10的旋转轴14的上端形成为与花键联轴器52互补以与其一起旋转。因此，当顶部驱动装置输出轴28通过顶部驱动装置马达26旋转时，管道工具10的旋转轴14也旋转。应当理解，可以使用任何适当的连接装置来使顶部驱动装置输出轴28与管道工具10的旋转轴14牢固接合。 

在一个示例性实施例中，管道工具10的旋转轴14连接到通常表示为56的传统的管子上卸装置(pipe handler)上，所述管子上卸装置56可以由适当的扭矩扳手(未显示)接合以使旋转轴14旋转，从而拧上拆下需要极高扭矩的螺纹接头，如本领域中熟知的那样。 

在一个实施例中，管道工具的旋转轴14还形成有下部花键段58，该下部花键段滑动接收在细长的花键衬套60中，所述花键衬套为管道工具10的旋转轴14的延伸部。旋转轴14和衬套60为花键接合以提供旋转轴14相对于衬套60的竖向移动，如下文更详细描述的那样。应当理解，花键连接装置在管道工具10的旋转轴14旋转时使衬套60转动。 

管道工具10还包括管接合组件16，该管接合组件在一个实施例中包括扭矩传递套筒62(例如图2所示)，该扭矩传递套筒牢固连接到衬套60的下端上以与其一起旋转。扭矩传递套筒62通常为环形并且包括一对位于套筒62的径向相对侧上的向上伸出的臂64。臂64形成有相应的水平通道(未显示)，相应的轴承(未显示)安装到所述水平通道中以使位于其中的旋转轴70枢转，如下文更详细描述的那样。扭矩传递套筒62的下端连接到形式为一对管形构件73的向下伸出的扭矩框架72上，所述管形构件继而联接到与所述扭矩框架72一起转动的卡盘/吊卡74上。显而易见的是，扭矩框架72可以具有任何一种结构，例如多个管形构件，实心本体或任何其它的适当结构。 

卡盘/吊卡74优选地由液压或气动系统驱动，或者可选地由电力驱动马达或任何其它的适当动力系统驱动。如图5A和5B所示，卡盘/吊卡包括界定有中心通道76的外壳75，管段11可以穿过所述中心通 道。卡盘/吊卡74还包括一对带有可移动活塞杆78的液压或气压缸77，所述活塞杆通过适当的枢转联动装置79连接到相应的卡瓦80上。联动装置79枢转连接到活塞杆78的顶端和卡瓦80的顶端。卡瓦80包括大体平坦的前夹紧表面82和特定轮廓的后表面84，所述后表面设计成所具有的轮廓使卡瓦80在相应的径向向外布置的脱离位置和径向向内布置的接合位置之间移动。卡瓦80的后表面沿相应的向下和径向向内伸出的导向构件86移动，所述导向构件86具有互补轮廓并牢固连接到卡盘本体上。导向构件86与缸77和联动装置79相配合以使卡瓦80径向向内地以凸轮方式运动，并迫使卡瓦80进入相应的接合位置。因此，可以给缸77(或其它致动装置)提供动力以向下驱动活塞杆78，从而导致相应的联动装置79被向下驱动并迫使卡瓦80向下运动。导向构件86的表面为倾斜的以迫使卡瓦80在其被向下驱动以夹住位于它们之间的管段11时径向向内运动，其中导向构件86使卡瓦80与管段11保持紧密接合。 

为了使管段11与卡瓦80脱离，缸77反向操作以使活塞杆78被向上驱动，所述活塞杆向上牵引联动装置79并使相应卡瓦80缩回到它们的脱离位置以松开管段11。导向构件86优选地形成有相应的凹口81，所述凹口接收卡瓦80的相应突出部分83以将卡瓦80锁定在脱离位置(图5A)。 

卡盘/吊卡74进一步包括一对形成有面向下方的凹槽90的径向对置、向外突出的耳状物88，所述凹槽90的大小制成接收位于相应连杆40的底端处的相应形状的圆柱形构件92，从而将连杆40的下端牢固地连接到卡盘/吊卡74上。耳状物88可以连接到接收于卡盘外壳75外面的环形套筒93上。可选地，耳状物可以与卡盘外壳整体地形成。 

在一个示例性实施例中，管道工具10包括通常表示为94的载荷补偿器。在一个实施例中，载荷补偿器94的形式为一对液压的、双杆式缸96，所述缸均包括一对从该缸96选择性地伸出或缩入其中的活塞杆98。杆98的上端连接到补偿器夹钳100上，所述补偿器夹钳继而连接到管道工具10的旋转轴14上，而杆98的下端向下伸出并连接 到一对牢固安装到衬套60上的耳状物102上。可以驱动液压缸96以通过给缸96施加压力而使衬套60相对于管道工具10的旋转轴14向上牵引，从而导致活塞杆98的上端缩入相应的缸体96中，其中衬套60和旋转轴14的下花键部58之间的花键连接允许衬套60相对于旋转轴14竖向移动。这样，由卡盘/吊卡74夹持的管段11可以竖向抬起以减少由管段11的螺纹施加给管柱34的螺纹的一部分或全部载荷，如下文更详细描述的那样。 

如图2所示，杆98的下端至少部分地缩回，导致来自于管道工具10的大部分载荷由顶部驱动装置输出轴28承受。另外，当预选最大值以上的载荷施加给管段11时，缸96使载荷自动缩回以防止全部载荷施加给管柱11的螺纹。 

在一个实施例中，管道工具10更进一步地包括通常表示为104的起重机构以将管段11向上提升到卡盘/吊卡74中。在图2所示实施例中，起重机构104偏轴设置并且包括一对由轴70携带的滑轮106，所述轴70旋转支承在形成于臂64中的相应通道内的轴承中。起重机构104还包括通常表示为108的齿轮驱动装置，所述齿轮驱动装置可以有选择地由液压马达111或者是其它适当的驱动系统驱动以使轴70和滑轮106旋转。起重机构还可以包括制动器115以防止轴70及滑轮106旋转，并将它们及扭矩套(torque hub)116锁定在适当的位置上。因此，一对链、缆索或其它适当的柔性装置可以绕过相应的滑轮106，延伸达到链井113的长度并与管段11接合。轴70随后通过适当的驱动系统进行旋转以将管段11竖向提升并向上达到管段11的上端伸入卡盘/吊卡74中的位置。 

在一个实施例中，如图1所示，管道工具10进一步包括环形轴环109，所述轴环接收于连杆40外面，使连杆40保持锁定到卡盘/吊卡74的耳状物88上并且防止连杆40扭转和/或旋转。 

在使用中，工作人员可以操作管道工具10直到工具10的上端与顶部驱动装置输出轴28的下端对准。管道工具10随后竖向提升直到位于顶部驱动装置输出轴28的下端处的花键联轴器52与管道工具10 的旋转轴14的上端接合，以及管道工具10的连杆40与卡盘/吊卡74的耳状物88接合。工作人员随后可以拉动起重机构104的相应滑轮106上的一对链或缆索，将链或缆索连接到管段11上，使适当的驱动系统与齿轮108接合，并且驱动所述驱动系统以使滑轮106旋转，从而使管段11向上提升直到管段11的上端延伸穿过卡盘/吊卡74的下端。随后驱动卡盘/吊卡74，其中液压缸77和导向构件86相配合以迫使相应的卡瓦80到达接合位置(图5B)，从而正确地接合管段11。卡瓦80优选地前进足够的程度以防止管段11和卡盘/吊卡74之间的相对旋转，使得卡盘/吊卡74的旋转转化为管段11的相应旋转，从而允许管段11与管柱34螺纹接合。 

顶部驱动装置24随后通过顶部起重机25相对于钻井机框架20下降以驱动管段11的螺纹下端与管柱34的螺纹上端形成接触(图1)。如图1所示，如本领域的普通技术人员所知，管柱34通过用于将管柱34固定在适当位置处的齐平安装的卡盘36或任何其它适当结构牢固保持在适当的位置上。当管段11的螺纹与管柱34的螺纹正确配合时，顶部驱动装置马达26被驱动以使顶部驱动装置输出轴28旋转，所述顶部驱动装置输出轴继而使管道工具10的旋转轴14和卡盘/吊卡74旋转。这继而导致联接的管段11旋转以螺纹接合管柱34。 

在一个实施例中，将管段11有意下降直到管段11的下端支撑在管柱34的顶部上。随后驱动载荷补偿器94以通过衬套60和旋转轴14之间的花键连接使衬套60相对于管道工具10的旋转轴14向上驱动。衬套60的向上运动导致卡盘/吊卡74及联接的管段11上升，从而减少管段11的螺纹施加到管柱34的螺纹上的载荷。这样，螺纹上的载荷可以通过驱动载荷补偿器94得到控制。 

当管段11螺纹联接到管柱34上时，顶部驱动装置24竖向上升以提升整个管柱34，从而导致齐平安装的卡盘36与管柱34脱离。顶部驱动装置24随后下降以使管柱34向下运动到井孔中直到顶部管段11的上端接近钻台30，其中管柱11的全部载荷由连杆40承受，而扭矩通过轴提供。随后致动齐平安装的卡盘36以接合管柱11并使其由此 悬挂。卡盘/吊卡74随后被反向控制以使卡瓦80缩回到相应的脱离位置(图5A)以松开管柱11。顶部驱动装置24随后上升以提升管道工具10直到起始位置(例如图1所示)，并且可以对其它管段11进行重复的步骤。 

参考图6，显示了包括在管道工具10的一个示例性实施例中的部件的框图。在这个实施例中，工具包括以这样的方式安装在管道工具10上的传统载荷传感器110或其它适当的载荷测量装置，使得它与管道工具10的旋转轴14关联以确定施加到管段11的下端上的载荷。载荷传感器110为可操作的以产生代表被测载荷的信号，所述信号在一个示例性实施例中传送给处理器112。对处理器112进行编程以具有预定载荷临界值，并且将来自于载荷传感器110的信号与预定载荷临界值进行比较。如果载荷超过预定临界值，处理器112激活载荷补偿器94以使管道工具10向上牵引选定距离，从而减少作用于管段11的螺纹上的至少一部分载荷。当载荷等于或低于预定临界值时，处理器112控制顶部驱动装置24以使管段11旋转，从而使管段11螺纹接合到管柱34上。当顶部驱动装置24致动时，处理器112继续监视来自于载荷传感器110的信号，从而确保管段11上的载荷不超过预定临界值。 

可选地，管段11上的载荷可以手动控制，其中载荷传感器110通过适当的仪表或其它显示器表明管段11上的载荷，从而使工人控制载荷补偿器94和顶部驱动装置24。 

参考图7，显示了本发明的管道工具200的另一个优选实施例。管道工具包括与如上所述的提升机构104大体上相同的提升机构202。假定旋转轴204的下端连接到传统的泥浆填注装置206上，如本领域已知的那样，该泥浆填注装置用于在装配过程中使例如套管段的管段11灌注泥浆。在一个示例性实施例中，泥浆填注装置是由Texas的Davies-Lynch Inc.制造的装置。 

提升机构202支撑一对链208，所述链与位于管道工具200下端的卡瓦式单根吊卡210相接合。如本领域中已知，单根吊卡为可操作 的以可松开地接合管段11，其中提升机构202为可操作的以使单根吊卡和管段11向上提升并进入卡盘/吊卡74。 

工具200包括界定了圆柱形下端92的连杆40，所述下端接收在形成于卡盘/吊卡74的径向相对侧上的通常J形切口212中。 

由上可知，显而易见的是，管道工具10有效地使用已有顶部驱动装置24装配例如套管柱或钻柱的管柱11，并且不依赖于笨重的套管钳及其它传统的装置。管道工具10整合有卡盘/吊卡74，所述卡盘/吊卡不仅夹持管段11，而且使它们旋转从而将管段11螺纹接合到已有的管柱34上。因此，管道工具10提供了一装置，该装置夹紧和拧紧管段11，并且还能够在管柱降至井孔中时支撑管柱34的全部载荷。 

图8显示了根据本发明的另一个实施例的管道工具10B。在该实施例中，管道工具10B的上端包括具有内螺纹120的顶部驱动装置延伸轴118，所述内螺纹与顶部驱动装置24的输出轴28上的外螺纹122螺纹接合。同样，顶部驱动装置24的输出轴28的旋转直接传送给管道工具10B的顶部驱动装置延伸轴118。注意在另一个实施例中，顶部驱动装置延伸轴118可以具有外螺纹，并且顶部驱动装置24的输出轴28可以具有内螺纹。 

提升缸124附接到顶部驱动装置延伸轴118的下端，所述提升缸设置在提升缸外壳126内。提升缸外壳126继而例如通过螺纹连接附接到导向插头本体128上。导向插头本体128包括卡瓦锥形部分130，所述卡瓦锥形部分130滑动接收多个卡瓦132，使得当导向插头本体128放置在管段11中时，卡瓦132可以沿卡瓦锥形部分130在与管段11的内径134相关的接合和脱离位置之间滑动。卡瓦132可以利用液压、气动或电气系统连同其它适当的装置一起在接合和脱离位置之间驱动。 

在一个实施例中，顶部驱动装置延伸轴118的下端具有允许延伸轴118相对于内花键环136进行竖向移动、而不是旋转运动的外花键，顶部驱动装置延伸轴118的花键下端接收在所述内花键环中。花键环136进一步非旋转地附接到提升缸外壳126上。同样，顶部驱动装置 24的旋转由顶部驱动装置24的输出轴28传递给顶部驱动装置延伸轴118，所述顶部驱动装置延伸轴通过延伸轴118和花键环136的花键连接将旋转传递到花键环136。花键环136继而将旋转传递给提升缸外壳126，所述提升缸外壳将旋转传递给导向插头本体128，使得当导向插头本体128的卡瓦132与管段11接合时，顶部驱动装置24的旋转或扭矩传递给管段11，从而允许管段11与管柱34螺纹接合。 

在一个实施例中，管道工具10B包括例如通过螺纹连接附接到导向插头本体128的上部上的卡瓦缸外壳138。卡瓦缸140设置在卡瓦缸外壳138中。在一个实施例中，管道工具10B包括一个卡瓦缸140，所述卡瓦缸连接到多个卡瓦132中的每一个上，使得卡瓦缸140的竖向运动造成所述多个卡瓦132中的每一卡瓦132在与管段11相关的接合和脱离位置之间移动。 

卡瓦缸140的竖向移动可以通过使用位于卡瓦缸外壳138内部的卡瓦缸140的压缩空气或液压流体作用完成。可选地，可以电子控制卡瓦缸140的竖向移动。在一个实施例中，卡瓦缸140的下端连接到多个卡瓦132上，使得卡瓦缸140的竖向移动造成所述多个卡瓦132中的每一卡瓦132沿导向插头本体128的卡瓦锥形部分130滑动。 

如图所示，导向插头本体128的卡瓦锥形部分130的外表面为锥形。例如，在该实施例中，卡瓦锥形部分130沿向下方向径向向外成锥形，并且所述多个卡瓦132中的每一卡瓦132包括沿向下方向径向向外相应成锥形的内表面。在一个实施例中，卡瓦锥形部分130包括由径向向内台阶144隔开的第一锥形部分142和第二锥形部分146；并且所述多个卡瓦132中的每一卡瓦132包括由径向向内台阶150隔开的第一锥形部分148和第二锥形部分152。卡瓦锥形部分130和卡瓦132的向内台阶144和150分别允许所述多个卡瓦132中的每一卡瓦132沿竖向方向具有合适的长度，并且不会在卡瓦锥形部分130的最小部分处产生不希望的小横截面积。卡瓦132的细长长度是人们所希望的，因为这增大了卡瓦132的外表面和管段11的内径之间的接触面积。 

在一个实施例中，当卡瓦缸140布置在向下驱动位置时，卡瓦132沿导向插头本体128的卡瓦锥形部分130滑下，并且径向向外到达与管段11的内径134接合的位置；并且，当卡瓦缸140布置在向上位置时，卡瓦132沿导向插头本体128的卡瓦锥形部分130向上滑动，并且径向向内到达与管段11的内径134相脱离的位置。 

在一个实施例中，每一卡瓦132包括大体平坦的前夹紧表面154，所述前夹紧表面包括例如齿的夹紧装置以接合管段11的内径134。在一个实施例中，卡瓦缸140具有驱动卡瓦缸140达到向下驱动位置的向下驱动力，其中作用力足以使来自于顶部驱动装置24的扭矩通过卡瓦132传递给管段11。 

图9显示了与图8所示管道工具10B一起使用的卡瓦缸140的一个实施例。如图所示，卡瓦缸140包括头部156和轴158，其中，轴158包括多个爪(feet)160，所述爪中的每一个用于附接到位于多个卡瓦132中一个相应卡瓦上的凹口162中(同样参见图8)。缝164可以在卡瓦缸140的多个爪160中的每一个之间延伸，从而给爪160增大柔性以便于爪160附接到相应的卡瓦132上。卡瓦缸140的头部156还可以包括用于接收例如O形圈的密封件的周向槽166，从而密封卡瓦缸头部156以上和以下的液压流体或压缩气体。在各种实施例中，所述多个卡瓦132可以包括三个、四个、六个或任何适当数量的卡瓦132。 

如图8所示，管段检测器168附接到卡瓦缸外壳138上。在一个实施例中，当由管道检测器168检测的管段临近管道检测器168放置时，管道检测器168驱动卡瓦缸140到达向下驱动位置，使卡瓦132移动成与管段11相接合，允许管段11通过顶部驱动装置24进行移动和/或旋转。 

还是如图8所示，导向插头本体128的下端包括对扣锥体170，其沿向上方向径向向外成锥形。这种锥形有利于导向插头本体128插入管段11中。用于接收膨胀型封隔器174的周向槽172临近对扣锥体170。在一个实施例中，对于封隔器174而言存在两种操作选择。例如， 封隔器174可在管子/套管移动期间在放气或充气状态下使用。当使套管柱/管柱充满泥浆流体/钻井流体时，有利的是使封隔器174处于放气状态以便使空气从套管中排出。这称作灌注模式。当泥浆需要在高压和高流动状态下在整个套管柱中循环时，有利的是使封隔器174处于充气状态以密封套管的内部容积。这称作循环模式。 

在一个实施例中，处于放气状态的膨胀型封隔器174的外径大于锥体170的最大横截面积。这有助于将流向锥体170的任何钻井流体导向膨胀型封隔器174的下侧，使得在循环模式期间，膨胀型封隔器174的下侧上的压力导致封隔器174充气并且形成封闭管段11内径的密封。这种密封防止钻井流体接触卡瓦132和/或导向插头本体128的卡瓦锥形部分130，从而可以减小管段11的内径134上的卡瓦132的夹紧力。 

在管道工具包括外部夹钳(例如图2所示)的实施例中，封隔器可以布置在卡瓦上方。通过在设定卡瓦之前控制管子通过卡瓦上推到什么程度，可以控制封隔器在卡瓦设定时是否插入套管(循环模式)或仍然在套管上方(灌注模式)。为此，这种管道工具可以包括能够检测两个独立管位置的管位置传感器。 

现在参见管道工具10B的上部，补偿器外壳176附接到花键环136的上部。弹簧组件177设置在补偿器外壳176上方。载荷补偿器178布置在补偿器外壳176内并且其上端通过连接器或“保持器”180附接到顶部驱动装置延伸轴118上。载荷补偿器178可在补偿器外壳176内竖向移动。由于载荷补偿器178以不可竖向移动的方式附接到顶部驱动装置延伸轴118上，并且延伸轴118通过花键连接连接到导向插头本体128上，当导向插头本体128与管段11接合时，载荷补偿器178的竖向移动导致顶部驱动装置延伸轴118和导向插头本体128之间的相对竖向移动，并因此导致顶部驱动装置24和管段11之间的相对竖向移动。 

管段11和顶部驱动装置24之间的相对竖向移动起到几个作用。例如，在一个实施例中，当管段11螺纹接合到管柱34中时，管柱34 通过齐平安装的卡盘36的作用以不可竖向和旋转运动的方式保持。因此，当管段11螺纹接合到管柱34中时，管段11向下移动。通过允许顶部驱动装置24和管段11之间的相对竖向移动，顶部驱动装置24在管段11和管柱34之间的螺纹接合操作期间无需竖向移动。同样，允许顶部驱动装置24和管段11之间的相对竖向移动使管段11的螺纹施加到管柱34的螺纹上的载荷得到控制或补偿。 

如卡瓦缸140一样，载荷补偿器178的竖向移动可以通过使用载荷补偿器178的压缩空气或液压流体作用或者通过电子控制，连同其它适当的装置一起完成。在一个实施例中，载荷补偿器178是空气缓冲式补偿器。在这个实施例中，空气通过软管182充入补偿器外壳176中，并且以预定作用力向下作用在载荷补偿器178上。这使管段11向上移动预定距离并且以预定量减小了作用于管段11的螺纹上的载荷，从而以预定量控制作用在管段11的螺纹上的载荷。 

可选地，载荷传感器(未显示)可用于测量管段11的螺纹上的载荷。处理器(未显示)可以具有预定临界载荷并进行编程以驱动载荷补偿器178，从而在载荷传感器检测到超过处理器的预定临界值的载荷时减小作用于管段11的螺纹上的载荷，与上文参照图6所述的类似。 

如图8所示，提升缸外壳126包括载荷肩部184。因为提升缸124设计成可与载荷补偿器178一起竖向移动，在管段11和管柱34之间的螺纹接合操作期间，提升缸124设计成与载荷肩部184脱离，从而允许载荷补偿器178控制管段11的螺纹上的载荷，并且允许管段11相对于顶部驱动装置24运动。然而，当人们希望提升管段11和/或管柱34时，提升缸124通过顶部驱动装置24竖向向上移动以与载荷肩部184形成接触。管道工具10B和由此保持的任何管的重量随后通过提升缸124和载荷肩部184之间的相互作用得到支撑。同样，管道工具10B能够给管段11传送扭矩和提升载荷。 

如图8所示，顶部驱动装置延伸轴118包括通向提升缸124中的钻井流体阀188的钻井流体通道186。延伸轴118中的钻井流体通道186和提升缸124中的钻井流体阀188允许钻井流体从内部流过花键 环136和延伸轴118的花键部之间的花键连接，因此不与该花键连接发生干涉或“干扰”。提升缸124还包括用于接收诸如O形圈的密封件的周向槽192，从而提供防止钻井流体向上流过此处的密封，从而进一步保护花键连接。在提升缸124的钻井流体阀188以下，钻井流体流过导向插头本体128中的钻井流体通道190，流过管段11和管柱34的内径并向下流入井孔。在一个实施例中，管段11是直径为至少14英寸的套管段。 

从图8所示实例及与之相关的上述说明可以看出，在该实例中设置主要载荷通道，其中，管道工具10B和任何管段11和/或管柱34的主要荷载得到支撑，即，由顶部驱动装置24的输出轴28上的螺纹122直接吊装。这允许管道工具10B成为更流线化和更紧凑的工具。 

图10显示了管道工具10C，其具有用于夹紧管段11C的外径的外夹紧式管接合组件16C和载荷补偿器178C。图10的外夹紧式管接合组件16C包括与上文参照图2-5B所示管接合组件16描述的大体上相同的元件和功能，因此不再重复描述，但下文明确说明的除外。 

图10的实施例显示了具有输出轴122C的顶部驱动装置24C，所述输出轴122C连接至管道工具10C上的顶部驱动装置延伸轴118C。顶部驱动装置延伸轴118C的下端具有允许延伸轴118C相对于内花键环136C进行竖向移动、而不是旋转运动的外花键，顶部驱动装置延伸轴118C的花键下端接收在所述内花键环中。 

载荷补偿器178C通过保持器180C连接到顶部驱动装置延伸轴118C上。载荷补偿器178设置在载荷补偿器外壳176内并可相对于该载荷补偿器外壳竖向移动。载荷补偿器外壳176连接至花键环136C，所述花键环进一步连接至管接合组件16C的上部。弹簧组件177C设置在载荷补偿器外壳176C的上方。 

由于载荷补偿器178C以不可竖向移动的方式附接到顶部驱动装置延伸轴118C上，并且延伸轴118C通过花键连接(即，花键环136C)连接到管接合组件16C上，当管接合组件16C与管段11C接合时，载荷补偿器178C的竖向移动导致顶部驱动装置延伸轴118C和管接合 组件16C之间的相对竖向移动，并因此导致顶部驱动装置24C和管段11C之间的相对竖向移动。 

载荷补偿器178C的竖向移动可以通过使用载荷补偿器178C的压缩空气或液压流体作用或者通过电子控制，连同其它适当的装置一起完成。在一个实施例中，载荷补偿器178C是空气缓冲式补偿器。在这个实施例中，空气通过软管充入补偿器外壳176C中，并且以预定作用力向下作用在载荷补偿器178C上。这使管段11C向上移动预定距离并且以预定量减小了作用于管段11C的螺纹上的载荷，从而以预定量控制作用在管段11C的螺纹上的载荷。 

可选地，载荷传感器(未显示)可用于测量管段11C的螺纹上的载荷。处理器(未显示)可以具有预定临界载荷并进行编程以驱动载荷补偿器178C，从而在载荷传感器检测到超过处理器的预定临界值的载荷时减小作用于管段11C的螺纹上的载荷，与上文参照图6所述的类似。 

根据本发明一个具体实施例的管道工具可以设置有提升机构202和链208以移动单根吊卡210，所述单根吊卡布置在如上文参照图7所述的管道工具的下方。可选地，一套钢缆/钢索可出于相同的目的附接到管道工具的底部，例如图10所示。 

还是如图10所示，管道工具10C包括框架组件12C，该框架组件包括一对从连杆接头42C向下伸出的连杆40C。连杆40C的下端通过吊环71C连接并支撑。吊环71C滑动连接到扭矩框架72C上。从图10所示位置开始，吊环71C的顶面接触扭矩框架72C上的外载荷肩部。同样，吊环71C起到与如上文参照图8所述的提升缸192类似的作用。当补偿器178C设置在中间冲程位置，例如中冲程位置时，吊环71C的顶面从图10所示位置向下移动，与扭矩框架72C的外载荷肩部脱离，从而允许补偿器178C进行补偿。 

在一个实施例中，当整个管柱被提升时，补偿器178C接触到底并且扭矩框架72C的外载荷肩部支撑在吊环71C的顶面上。在一个实施例中，连杆接头42C、连杆40C和吊环71C轴向固定到顶部驱动装 置24C的输出轴122C上。同样，当扭矩框架72C上的外载荷肩部支撑在吊环71C上时，补偿器178C不能轴向移动，同样不能补偿。因此，在一个实施例中，在管段装配到管柱上的期间，补偿器178C使扭矩框架72C和管道工具10C上的顶部驱动装置延伸轴118C向上提升，直到补偿器178C处于中间位置，例如中冲程位置。在这一运动期间，扭矩框架72C与吊环71C轴向脱离。尽管没有显示，但图2-5B所示的管接合组件16可以以图10所示方式附接到其连杆40上。 

图11显示了具有用于夹紧管段11D的外径的外夹紧式管接合组件16D的管道工具10D，但是，图11所示管道工具不包括分别如图2和10所示实施例中显示的连杆40和40C。作为替代，图11所示管道工具10D包括如下所述的主要载荷通道，其中管道工具10D和任何管段11D和/或管柱的主要载荷由顶部驱动装置24D的输出轴28D上的螺纹支撑(即，由所述螺纹直接吊装)。这允许管道工具10D成为更流线化和更紧凑的工具。 

图11的外夹紧式管接合组件16D包括与上文参照图2-5B所示管接合组件16描述的大体上相同的元件和功能，因此不再重复描述，但下文明确说明的除外。 

图11的实施例显示了具有输出轴122D的顶部驱动装置24D，所述输出轴122D连接至管道工具10D上的顶部驱动装置延伸轴118D。顶部驱动装置延伸轴118D的下端具有允许延伸轴118D相对于内花键环136D进行竖向移动、而不是旋转运动的外花键，顶部驱动装置延伸轴118D的花键下端被接收在所述内花键环中。 

载荷补偿器178D通过保持器180D连接到顶部驱动装置延伸轴118D上。载荷补偿器178D设置在负载补偿器外壳176D内部并可相对于所述外壳竖向移动，如上文参照图8和10所示载荷补偿器描述的那样。载荷补偿器外壳176D连接至花键环136D，所述花键环进一步连接至提升缸外壳126D的上部。 

提升缸124D附接到延伸轴118D的下端。当顶部驱动装置24D向上提升时，提升缸124D抵接提升缸外壳126D的肩部184D以承载 管接合组件16D和由所述管接合组件16D夹持的任何管段11D和/或管柱的重量。提升缸外壳126D的下端通过连接器199D连接到管接合组件16D的上端。 

灌注和循环工具201D(FAC工具201D)连接到提升缸124D的下端，所述工具密封接合管段11D的内径。FAC工具201D允许钻井流体流过延伸轴118D、提升缸124D和FAC工具201D中的内部通道，并流入管段11D的内径。 

在一个实施例中，管道工具还用于在钻井操作期间将平移力和旋转力从顶部驱动装置传递给管柱。在钻井操作期间，人们希望测量并给钻井操作者呈现作用于附接在管柱下端处的钻头上的作用力，施加给钻头的扭矩和速度以及其它钻井参数，例如钻柱振动和/或内压力。钻井操作者使用这些示数以使钻井操作最佳化。另外，例如用于使钻头上的重量保持恒定的自动装置的其它系统需要表示管柱扭矩、速度和重量，以及钻井流体压力的信号。 

如图8显示以及图12中的放大显示的那样，在一个实施例中，管道工具10B包括一个或多个用于在钻井操作期间测量钻井参数的测量装置121，所述参数例如为管柱重量、扭矩、振动、转速、角位置、转数、钻进速度和/或内压力。将测量装置121直接放置在管道工具10B上提供了用于测量管柱34的希望钻井参数的直接手段，这是因为管道工具10B承受施加在管柱34及因此施加在钻头上的载荷。同样，管道工具10B承受由顶部驱动装置24施加在管柱34上的实际扭矩和平移力，以及作用于管柱34中的实际张力，以及与管柱34相同的转速、角位置和转数。 

另外，管道工具10B承受施加到管柱34上的振动，由于钻井流体流过管道工具10B中的流体通道186、190和管柱34的内径，因此管道工具10B具有与管柱34中相同的内压力。因此，通过测量管道工具10B的扭矩、重量、振动、转速、角位置、转数、钻进速度和内压力，可以确定管柱34的扭矩、重量、振动、转速、角位置、转数、钻进速度和内压力。因此，本发明的管道工具10B允许在无需改进顶 部驱动装置24的情况下，直接精确测量管柱34的希望钻井参数。 

如图12所示，在一个实施例中，管道工具10B的延伸轴118包括一个或多个在钻井操作期间测量钻井参数的测量装置121。在图12的实施例中，延伸轴118的上部包括凹口或周向槽123。如图所示，另一个或第二周向槽125设置在周向槽123内。一个或多个在钻井操作期间测量管柱34的钻井参数的测量装置121(示意性地表示)，以及用于记录钻井参数并将信号传送给钻台30的电子器件包127(示意性地表示)安装在第二周向槽125内，使得钻井操作者可以在钻井操作期间观察钻井参数。 

测量装置121可以包括一个或多个测量装置或其任意组合，包括但不限于接近开关、应变仪、陀螺仪、编码器、加速度计、压力传感器、转速计和磁性拾取开关，上述测量装置用于测量包括但不限于扭矩、重量、振动、转速、角位置、转数、钻进速度和内压力的钻井参数。例如，应变仪可用于测量管柱34的重量和扭矩，加速度计可用于测量管柱34的振动，压力传感器可用于测量管柱34的内压力。 

在一个实施例中，测量装置121包括用于测量位于管道工具10B的延伸轴118上的第二周向槽125的表面上的应力的应变仪，该应变仪沿测量管道工具10B的延伸轴118上的扭转应力或扭矩、以及轴向应力或张力的方向安装。这些应变仪被校准以测量管柱34上的实际扭矩和张力。例如，在一个实施例中，测量装置121包括安装在第二周向槽125的内表面上的应变仪，例如载荷传感器。因为第二周向槽125的内表面具有比管道工具10B的延伸轴118的外径更小的直径，第二周向槽125的这一内表面上的应力得到放大，因此易于测量。另外，第二周向槽125的角129可以成圆角，而不是直角，以便减少角129处的局部应力。这还用于集中第二周向槽125的内表面上的应力，以利于应力的检测。 

在一个实施例中，测量装置121还包括应变仪，该应变仪被校准以测量管道工具10B的振动，由此测量管柱34的振动。可选地，测量装置121可以包括加速度计，该加速度计被校准以测量管道工具10B 的振动，由此测量管柱34的振动。 

在另一个实施例中，测量装置121还包括另一应变仪，该应变仪被校准以测量管道工具10B的内压力，由此测量管柱34的内压力。可选地，测量装置121可以包括压力传感器，该压力传感器被校准以测量管道工具10B的内压力，由此测量管柱34的内压力。在另一种这样的情况下，测量装置121包括例如压力传感器的装置，其放置为与管道工具10B的流体通道186和/或190流体连通。 

在另一个实施例中，测量装置121包括流速计，该流速计被校准以测量管道工具10B的转速，由此测量管柱34的转速。可选地，测量装置121还可以包括加速度计，该加速度计被校准以测量管道工具10B的转速，由此测量管柱34的转速。 

电子器件包127可以包括电子应变仪放大器、信号调节器和连接到临时电子线路天线131(示意性地表示)上的无线信号发射器，所述临时电子线路天线位于管道工具10B的延伸轴118的外表面或外径上。电子器件包127记录管柱34的被测钻井参数，例如扭矩、重量、速度、角位置、转数、钻进速度、振动和/或内压力，并且将表示这些参数的信号通过无线遥测装置发送至位于钻台30上的接收器(在图8中示意性地表示)。接收器继而将信号传送给可由钻井操作者观察的仪器或电脑，使得管柱34的钻井参数可以在钻井操作期间进行观察。在一个实施例中，接收器和电脑形成管道工具控制系统的一部分。另外，或可选地，电子器件包127可以通过无线遥测装置进行通讯以在钻井操作期间将数据传输于管道工具10B和顶部驱动装置24之间。 

电子器件包127的能量可以任何一种方式获得。例如，在一个实施例中，电子器件包127包括可移动地布置在其内部的可更换电池。在另一个实施例中，能量从位于管道工具10B外面的固定功率天线向位于管道工具10B上的接收天线传送给电子器件包127。在另一实施例中，能量通过标准集流环提供给电子器件包127。 

如图12所示，薄壁套筒137容纳于管道工具10B的延伸轴118 的第一周向槽123内以封闭安装有测量装置121和电子器件包127的第一周向槽123。套筒137用于保护测量装置121和电子器件包127不受损坏并不暴露给外界环境和/或元件。在一个实施例中，套筒137可螺纹连接到第一周向槽123的螺纹部分上。诸如O形环的密封元件139也可以布置在第一周向槽123和位于该第一周向槽123以上或以下位置处的套筒137之间，从而进一步保护测量装置121和电子器件包127。 

尽管测量装置121和电子器件包127描述为安装在管道工具10B的延伸轴118上，但是在其它实施例中，测量装置121和电子器件包127可以在管道工具上的其它位置处。另外，尽管测量装置121和电子器件包127描述为安装在内夹紧式管道工具上，如图8所示，但是在其它实施例中，测量装置121和电子器件包127可以安装在外夹紧式管道工具上，如参照图2、10和11显示和描述的任一实施例那样。 

尽管已经图解说明和描述了本发明的几种形式，但对本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改型和改进。因此，本发明不限于此，而是受到所附权利要求的限制。 

Claims (13)

1.一种用于在油气井钻井操作期间测量管柱的希望钻井参数的系统，包括：

顶部驱动装置；

管道工具，其可与管柱接合并联接到顶部驱动装置上以将平移力和旋转力从顶部驱动装置传递给管柱；和

一个或多个测量装置，其安装到管道工具内以在油气井钻井操作期间测量管柱的希望的钻井参数，所述参数选自由下列参数构成的组：管柱重量、施加给管柱的扭矩、管柱的转速、管柱的振动、管柱的内压力、管柱的钻进速度、管柱的转数。

2.如权利要求1所述的系统，还包括安装到管道工具上的电子器件包，其用于记录管柱的希望的钻井参数并且传送信号以通过无线遥测装置与顶部驱动装置通讯，从而在钻井操作期间于管道工具和顶部驱动装置之间传输数据。

3.如权利要求1所述的系统，还包括安装到管道工具上的电子器件包，其用于记录管柱的希望的钻井参数并且传送信号以通过无线遥测装置与控制所述管道工具操作的系统进行通讯。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述管道工具包括安装有所述一个或多个测量装置的周向槽。

5.如权利要求4所述的系统，还包括安装到管道工具上的电子器件包，其用于记录管柱的希望的钻井参数，并且其中，电子器件包安装在管道工具的周向槽中。

6.如权利要求5所述的系统，还包括邻近周向槽安装的保护套以保护安装在其中的所述一个或多个测量装置和电子器件包。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个测量装置包括被校准以测量管柱重量的测量装置。

8.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个测量装置包括被校准以测量施加到管柱上的扭矩的测量装置。

9.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个测量装置包括被校准以测量管柱转速的测量装置。

10.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个测量装置包括被校准以测量管柱的振动的测量装置。

11.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个测量装置包括被校准以测量管柱内压力的测量装置。

12.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个测量装置包括被校准以测量管柱钻进速度的测量装置。

13.如权利要求1所述的系统，其中，所述一个或多个测量装置包括被校准以测量管柱转数的测量装置。

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