CN102953707A - 顶驱型钻杆固井水泥头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种顶驱型钻杆固井水泥头，包括本体管和下短节，本体管的下端与下短节的上端可拆卸连接，本体管的上端设有上连接部，下短节的下端设有下连接部，本体管内设有胶塞，本体管上安装有胶塞释放器，还包括一外滑套，所述外滑套同时与本体管的下端、下短节的上端花键连接。本发明可以与顶驱型钻杆配套使用，能整体随顶部驱动装置正转或反转并传递较大扭矩。在常规套管注水泥固井施工中，可以优化循环泥浆、替泥浆的管线流程，有效地减少钻台固井高压管线及附件的连接量，降低劳动强度与潜在的不安全因素；在尾管悬挂注水泥固井施工中，可以组成能在较大范围内上下的活动尾管串柱，有利于清洗井眼、提高固井质量。

Description

顶驱型钻杆固井水泥头

技术领域

本发明涉及一种石油、天然气井的固井完井工具，具体涉及一种顶驱型钻杆固井水泥头。

背景技术

在海上石油、天然气勘探、开发中，目前国内外普遍使用海上固定式、半潜式、浮船式钻井平台。半潜式、浮船式钻井平台每一层套管施工普遍使用钻杆水泥头来实现注水泥固井。现有的常规钻杆固井水泥头比较适用于陆地井队、海上（浅水）固定式平台钻杆注水泥固井施工；对于半潜式、浮船式（浅、中、深水）钻井平台，由于井口装置处于水下，以及近年来钻井装备技术的不断改进、提高，常规钻杆固井水泥头在半潜式、浮船式钻井平台套管注水泥固井施工中存在有一些问题，主要有: 1）与钻井新装备的顶部驱动装置的功能不完全配套；2）在30〞、20〞大直径套管固井后退放送工具时，常规套管固井后套管密封盘根紧扣要用大钳来操作，较为费时费力，且紧扣扭矩带有一定的随意性，存在有不安全因素；3) 尾管固井施工时须用短方钻杆、方补芯及转盘来实现尾管的座挂、倒扣，准备工作量大，管串柱配套较困难；接水泥头循环泥浆过程中，管串活动范围较小；4）在固井施工时，由于钻杆固井水泥头高出钻台2-3米、钻台上需临时接注水泥高压管线、备用泥浆管线、高压流体分配器，流程比较繁琐、工作量大，潜藏有不安全的因素。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供了一种顶驱型钻杆固井水泥头，可通过短钻杆与顶部驱动装置相连接，能整体随顶部驱动装置正转或反转并传递较大扭矩。以克服现有固井水泥头不能与顶部驱动装置相连接、不能整体以较大扭矩正转或反转的缺陷。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种顶驱型钻杆固井水泥头，包括本体管和下短节，本体管的下端与下短节的上端可拆卸连接，本体管的上端设有上连接部，下短节的下端设有下连接部，本体管内设有胶塞，本体管上安装有胶塞释放器，还包括一外滑套，所述外滑套同时与本体管的下端、下短节的上端花键连接。

优选地，在所述本体管与下短节相连接的部位形成一膨大部，所述膨大部的外径大于本体管、下短节其余部位的外径，膨大部的外圆周上设有外花键，并与设在所述外滑套内壁上的内花键相配合。

优选地，所述外滑套上设有滑套定位螺栓。

优选地，所述上连接部为锥形螺纹内孔；所述下连接部为锥形外螺纹接头。

优选地，所述本体管的下端与下短节的上端通过粗牙螺纹连接，在本体管与下短节的配合面之间还设有密封圈。

优选地，所述本体管内设有一横隔板，将本体管的内腔阻隔为上腔和胶塞腔，所述胶塞位于胶塞腔内。

更优地，还包括F形高压管汇，所述F形高压管汇包括相连接的上横管、下横管和纵管，所述上横管通过上由壬与本体管的上腔相连通，上横管上设有上阀门；所述下横管通过下由壬与本体管的胶塞腔相连通，下横管上设有下阀门。

更优地，所述本体管上还安装有投球器，所述投球器包括短管、堵头和压盖，所述短管固定在本体管侧壁上，短管的内孔与胶塞腔相连通，所述堵头堵在短管内孔的外端，所述压盖与短管的端部螺纹配合并将所述堵头压紧。

与现有技术相比，本发明顶驱型钻杆固井水泥头由于在本体管与下短节之间连接有外滑套，且外滑套同时与本体管的下端、下短节的上端花键连接，因此，本发明可以与顶部驱动装置配套使用，能整体随顶部驱动装置正转或反转并传递较大扭矩。本发明与常规钻杆水泥头的外形类似，但几何尺寸（长、宽）略小。

在本发明的优选方案中，由于横隔板将本体管的内腔阻隔为上腔和胶塞腔，通过F形高压管汇连接上腔和胶塞腔，在常规套管注水泥固井施工中，可以优化循环泥浆、替泥浆的管线流程，有效地减少钻台固井高压管线及附件的连接量，降低劳动强度与潜在的不安全因素；在尾管悬挂注水泥固井施工中，可以组成能在较大范围（约25米）内上下的活动尾管串柱，有利于清洗井眼、提高固井质量，同时为尾管悬挂器的座挂位置提供了较多的选择点； 在尾管送放工具退扣操作过程中，利用本发明可以组成简洁的管串柱组合，给施工人员带来较多的便利，可以省略如方补芯、短方钻杆等附件及减少准备工作所占作业时间，提高作业效率；在30〞、20〞大直径套管、常规套管固井结束后，本发明在顶部驱动装置的驱动下能直接用于送放工具、套管盘根的退扣、紧扣，并通过顶部驱动装置的控制系统对转速、扭矩实时监控，可提高作业的安全性并加快作业的进度，克服了现有技术中采用大钳作业的费时费力、盲目性大、安全性差的缺陷。

附图说明

图1是本发明一种顶驱型钻杆固井水泥头的结构示意图。

图2 是本体管与下短节连接部位的剖视结构示意图。

图3 是图2中A-A处的横截面示意图。

图4是投球器的结构示意图。

图5是本发明顶驱型钻杆固井水泥头在工作状态的连接关系示意图。

图中：1、本体管       2、下短节       3、胶塞4、胶塞释放器

5、投球器       6、外滑套       7、F形高压管汇8、顶部驱动装置

9、固井管串柱   10、高压管线    11、上连接部12、上腔

13、横隔板      14、胶塞腔      21、下连接部22、膨大部

23、密封圈      24、外花键      25、内通道51、短管

52、压盖        53、堵头        54、密封圈61、滑套定位螺栓

62、内花键      71、上横管      72、纵管73、下横管

74、上由壬      75、上阀门      76、下由壬77、下阀门

78、堵头       79、水泥入口由壬 81、短钻杆101、地面高压阀门

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，本领域技术人员由此可以更清楚地了解本发明的优点及功效。

需要说明的是，说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，仅用以配合具体实施方式，供本领域技术人员更清楚地了解本发明的构思，并非用以限制本发明的保护范围。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明的功效及目的达成的情况下，均应仍落在本发明的保护范围之内。

如图1所示，本发明一种顶驱型钻杆固井水泥头包括本体管1和下短节2，本体管1的下端与下短节2的上端可拆卸连接，本体管1内设有胶塞3，本体管1上还安装有胶塞释放器4。

如图2所示，本体管1的下端与下短节2的上端通过粗牙螺纹形成可拆卸连接，并可承受高强度的拉伸载荷；在本体管1与下短节2的配合面之间还设有密封圈23，形成高压密封。

结合图2、图3，在本体管1与下短节2相连接部位的外面还套有一个外滑套6。优选地，在本体管1与下短节2相连接的部位形成一膨大部22，所谓膨大部22就是一个外径较大的部位，包括本体管1下端的一部分和下短节2上端的一部分，其外径大于本体管1、下短节2其余部位的外径。在膨大部22的外圆周上设有外花键24，当本体管1与下短节2通过粗牙螺纹拧紧时，膨大部22上的外花键24正好上下对齐；在所述外滑套6内壁上设有内花键62，所述外花键24与内花键62相配合，使所述外滑套6同时与本体管1的下端、下短节2的上端形成花键连接，从而使本体管1与下短节2可以作为一个整体能正转或反转并传递较大扭矩，可通过短钻杆与顶部驱动装置相连接。同时，外滑套6也可以使本体管1与下短节2之间的螺纹连接不会发生松动或紧扣。

在外滑套6上还可以设置滑套定位螺栓61，用于固定外滑套6，松开滑套定位螺栓61，可以提起外滑套6，使其沿本体管1向上滑动，并解除外滑套6与本体管1、下短节2之间的花键连接。

如图1所示，在本体管1的上端设有上连接部11，在下短节2的下端设有下连接部21，其中上连接部11优选为锥形螺纹内孔（标准钻杆扣母），用于与上部的短钻杆丝扣连接；下连接部21优选为锥形外螺纹接头（标准钻杆扣公），用于与下方的固井管串柱相连接，下短节2具有内通道25。

继续参照图1，在本发明的优选实施例中，本体管1内设有一横隔板13，横隔板13将本体管的内腔阻隔为不相通的上腔12和胶塞腔14，所述胶塞3位于胶塞腔14内并座于关闭的胶塞释放器4的挡销杆上。胶塞腔14的内径大于胶塞3的最大外径，使胶塞3被释放时可以自由下落。

进一步地，还包括一F形高压管汇7，所述F形高压管汇7包括相连接的上横管71、下横管73和纵管72，其中上横管71通过上由壬74与本体管的上腔12相连通，上横管71上还设有上阀门75；而下横管73通过下由壬76与本体管的胶塞腔14下部相连通，下横管73上还设有下阀门77。

另外，在本发明中，本体管1上也安装有投球器5，但本发明中投球器的结构与现有技术中的并不相同。如图4所示，该投球器包括短管51、堵头53和压盖52，其中短管51可通过螺纹连接或焊接等方式固定在本体管1的侧壁上，短管51的轴线与本体管1的轴线相垂直，短管51的内孔与本体管1的胶塞腔相连通。所述堵头53堵在短管51内孔的外端，所述压盖52与短管51的端部螺纹配合并将堵头53压紧，在堵头53与短管51之间还可以设置密封圈54。

下面按常规套管9-5/8〞注水泥浆固井施工程序简述说明本发明的使用方法和工作过程。

钻杆胶塞装入：根据本发明的上述结构，胶塞3的装入工艺、运行方式与现有技术是不同的。松开滑套定位螺栓61，上移带有内花键的外滑套6，从本体管1的下部卸开下短节2，从下面将胶塞3装入胶塞腔14至恰当位置后，关闭胶塞释放器4。然后安装下短节2并由一人紧扣，将外滑套6下移到膨大部22并与外花键形成配合，最后拧紧滑套定位螺栓61。胶塞3安装完成，进入循环泥浆程序。

循环泥浆：如图5所示，本发明固井水泥头的本体管1上端通过一短钻杆81与顶部驱动装置8相连接，下短节2下端与固井管串柱9相连接。由顶部驱动装置8来的泥浆经短钻杆81、本体管上腔、上由壬74、上阀门75（开启）、纵管72、下阀门77（开启）、下由壬76、本体管胶塞腔、下短节2及与之相连接的固井管串柱9，形成泥浆偱环体系，循环泥浆至设计要求。进入投球程序。

投球：结合图1和图4，从投球装置5上卸下压盖52和堵头53，球经短管51的内孔进入本体管胶塞腔14并确认，然后重新装上堵头53，拧紧压盖52。在固井前较长时间的循环泥浆过程中，球在固井水泥头外由专人保管，这样结构简单、操作方便、安全可靠。避免了现有技术因将球预先装于固井水泥头中，而可能导致球提前下落而引起的固井意外情况的发生。此后进入注水泥浆程序。

注水泥浆：如图5所示，F形高压管汇的纵管72上端设有堵头78，下端通过水泥入口由壬79与高压管线10相连接，高压管线10上设有地面高压阀门101。关闭F形高压管汇的上阀门75，打开地面高压阀门101。固井仓来的水泥浆经地面高压阀门101、高压管线10、F形高压管汇的下阀门77（开启）、下由壬76、本体管胶塞腔、下短节2及与之相连接的固井管串柱9，形成注水泥浆管路体系，直至注入设计的水泥浆量。然后进入投胶塞程序。

投胶塞：参照图1，打开胶塞释放器4，胶塞3在本体管胶塞腔14内快速下落，并座在下短节内通道25的上端口上。然后进入正常的替浆程序。

替泥浆：参照图1及图5，关闭地面高压阀门101、打开F形高压管汇的上阀门75。由顶部驱动装置8来的泥浆经短钻杆81、本体管上腔12、上由壬74、上阀门75、纵管72、下阀门77（开启）、下由壬76进入本体管胶塞腔14，并压迫座于下短节内通道25上的胶塞3及下面的水泥浆一起向下运行至设计泥浆替入量（碰压）。最后进入套管盘根紧扣或放送工具退扣程序。

套管盘根紧扣或放送工具退扣：参照图1及图5，本体管1上端的上连接部11与短钻杆81相连接，短钻杆81再与顶部驱动装置8相连接，本体管1通过外滑套6与下短节2连接，下短节2下端的下连接部21与固井管串柱9相连接，上述部件组成一转动体系。在确认注水泥固井施工结束后，直接进行套管盘根紧扣或放送工具退扣，转速、扭矩可通过顶部驱动装置实时监控，可操作性强。放送工具退扣为正转退扣，套管盘根紧扣为反转紧扣，所需反转扭矩值较小，反转圈数小于1.5圈。施工时把放送工具以上的固井管串柱的丝扣连接扭矩紧至标准或至最大扭矩值，反转紧套管盘根时，由顶部驱动装置控制设定等于或略大于紧套管盘根扭矩值，达到此扭矩值顶部驱动装置就不再转动。可有效防止送工具上部固井管串柱的松扣或脱扣。

在尾管固井施工中，循环泥浆的同时可活动尾管串柱：在尾管下到设计位置后，接上本发明的钻杆固井水泥头，因其在循环泥浆时可以先不接高压管线10，从而在上、下较大范围内（约25米）可以活动尾管串柱，有利于清洗井眼、提高固井质量，同时为尾管悬挂器的座挂位置提供了较多的选择点。

本发明顶驱型钻杆固井水泥头也可用于带有顶部驱动装置的海上固定式钻井平台、陆地钻井队的钻杆注水泥固井施工；本体管上端的上连接部接上提升短节也可用于不带有顶部驱动装置的海上固定式钻井平台、陆地钻井队的钻杆注水泥固井施工。因此，本发明具有一件多用、适用范围广的特点。

Claims (8)

1.一种顶驱型钻杆固井水泥头，包括本体管（1）和下短节（2），本体管（1）的下端与下短节（2）的上端可拆卸连接，本体管（1）的上端设有上连接部（11），下短节（2）的下端设有下连接部（21），本体管（1）内设有胶塞（3），本体管（1）上安装有胶塞释放器（4），其特征是，还包括一外滑套（6），所述外滑套（6）同时与本体管（1）的下端、下短节（2）的上端花键连接。

2.根据权利要求1所述的固井水泥头，其特征是，在所述本体管（1）与下短节（2）相连接的部位形成一膨大部（22），所述膨大部（22）的外径大于本体管（1）、下短节（2）其余部位的外径，膨大部（22）的外圆周上设有外花键（24），并与设在所述外滑套（6）内壁上的内花键（62）相配合。

3.根据权利要求1所述的固井水泥头，其特征是，所述外滑套（6）上设有滑套定位螺栓（61）。

4.根据权利要求1所述的固井水泥头，其特征是，所述上连接部（11）为锥形螺纹内孔；所述下连接部（21）为锥形外螺纹接头。

5.根据权利要求1所述的固井水泥头，其特征是，所述本体管（1）的下端与下短节（2）的上端通过粗牙螺纹连接，在本体管（1）与下短节（2）的配合面之间还设有密封圈（23）。

6.根据权利要求1所述的固井水泥头，其特征是，所述本体管（1）内设有一横隔板（13），将本体管（1）的内腔阻隔为上腔（12）和胶塞腔（14），所述胶塞（3）位于胶塞腔（14）内。

7.根据权利要求6所述的固井水泥头，其特征是，还包括F形高压管汇（7），所述F形高压管汇（7）包括相连接的上横管（71）、下横管（73）和纵管（72），所述上横管（71）通过上由壬（74）与本体管的上腔（12）相连通，上横管（71）上设有上阀门（75）；所述下横管（73）通过下由壬（76）与本体管的胶塞腔（14）相连通，下横管（73）上设有下阀门（77）。

8.根据权利要求6所述的固井水泥头，其特征是，所述本体管（1）上还安装有投球器（5），所述投球器（5）包括短管（51）、堵头（53）和压盖（52），所述短管（51）固定在本体管（1）侧壁上，短管（51）的内孔与胶塞腔（14）相连通，所述堵头（53）堵在短管（51）内孔的外端，所述压盖（52）与短管（51）的端部螺纹配合并将所述堵头（53）压紧。

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