[发明专利]为夹持工具提供改进操作范围的夹具扩展联动装置及用法

说明书

技术领域

本发明有意涉及管件或管柱(tubular strings)必须利用工具进行夹持、操作和提升的应用，工具被连接至驱动头(drive head)或反力架(reaction frame)，以能够将轴向和扭转载荷传递至被夹持的管段或传递来自被夹持的管段的轴向和扭转载荷。在地钻孔、井建设以及用钻探机和修井钻机进行井维修的领域中，本发明涉及卡瓦(slips)，并且更特别地涉及使用顶部驱动装置(top drives)的钻机上的卡瓦，本发明应用于管状运行工具，管状运行工具被连接到顶部驱动装置上用于夹持正在被装配到井眼内的、正在井眼内使用的或正在从井眼中拆除的管柱近端段。这种管状运行工具支持对包括如下的这些操作所必需或有益的各种功能：快速接合和释放、提升、推进、旋转以及加压的流体流进和流出管柱。本发明提供用于延长或改进这种管状运行工具的夹持范围的联动装置(linkage)。

背景技术

直到最近，动力钳(power tongs)都是用于协同钻探机提升系统敷设套管柱或管柱进或出石油井的常设方法。此动力钳方法允许由具有配合的螺纹端部的管段或接头组成的这种管柱通过将配合的螺纹端部螺栓连接到一起(组装)而进行相对高效地装配，在连续的管段被添加到正在安装到井眼内或者相反地正在被拆下或拆除(拆卸)的管柱上时，在这些连续的管段之间形成螺纹连接。但是，此动力钳方法不能同时支持其他有益的功能，例如在管段被添加到管柱上或从管柱上拆除之后并且管柱正在井眼内降低或升高的时候进行旋转、推进或流体填充。典型地用钳子敷设管件还需要在相对较高危险的位置，例如钻台上或更有甚者在钻台上方、在所谓的“对扣台”，上进行人员配置。

装备有顶部驱动装置的钻探机的出现实现了一种敷设管件特别是套管件的新方法，其中，顶部驱动装置被装备有所谓的“顶部驱动管状运行工具”用以夹持并且可能地在邻近管段和顶部驱动钻轴之间密封。(应理解，此处术语顶部驱动钻轴通常是指包括可以连接于其上的这种驱动管柱部件、有效地用作钻轴延伸部的远端)因此已经开发了大致实现“顶部驱动装置套管敷设”目的的各种装置。利用这些装置与顶部驱动装置相结合允许提升、旋转、推进套管柱以及在敷设的同时用钻探流体填充套管柱，因此消除了与动力钳有关的限制。同时，与顶部驱动装置的固有优势相结合的夹持机构的自动化操作减小了用动力钳进行敷设的过程所需要的人员介入的水平，并因此提高了安全性。

另外，为了使用顶部驱动管状运行工具操作和敷设套管，当邻近的或活动的管段被添加至以其它方式装配的管柱上或从其上面拆除时，管柱的重力必须从顶部驱动装置传递至支撑装置。典型地，通过“环形楔夹具”轴向载荷致动的夹持装置提供了此功能，该装置利用被置于空心“卡瓦座”内的“卡瓦“或爪，套管被敷设穿过该空心“卡瓦座”，其中，卡瓦座具有沿着向下的方向直径减小的截头圆锥形孔，并且被支撑在钻台内或钻台上。然后，在管柱近端的管段与卡瓦座的截头圆锥形内表面之间用作环形楔的卡瓦牵引地夹持管，但当管柱重力传递至夹具上时在卡瓦座的内表面上向下并径向向内滑动或移动。因而，卡瓦和管体之间的径向力是轴向载荷自激励(self-activated)或“自供能的(self-energized)”，也就是，考虑到牵引能力这一因变量和管柱重力这一自变量，存在正向的反馈回路，其中，管柱重力自变量被主动反馈以控制径向夹持力，径向夹持力单调地起作用，进而控制对滑动的牵引能力或抵抗力这一因变量。类似地，施加到活动管段上的组装和拆卸扭矩也必须反作用至被装配的管柱近端外面。典型地通过钳子提供了此功能，钳子具有接合邻近管段的夹具和通过链接件例如链条或线缆连接至钻探机结构上的臂，以防止旋转并因此反作用没有被卡瓦座内的卡瓦以其它方式反作用的扭矩。同样，这种钳子的夹持力典型地通过来自所施加的扭矩载荷的正向反馈自激励或“自供能”。