CN103397860A - 泥浆分配远程控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到石油钻机设备泥浆循环系统、高压管汇阀门组的远程控制，它是由泥浆分配远程控制器，钻台与地面气路操控组件和显示电路所组成，操作人员(司钻)能够在钻台上或控制室内快速安全可靠的操作，根椐钻井工作流程的需要控制泥浆大小循环的流向及开通与关闭和泄压，以替代现有钻机循环系统设备中的管汇闸门组，并带有显示提示，使操作人员一目了然，任意操作都不会发生蹩泵事故，钻台与地面都可单独对其进行操控。

Description

泥浆分配远程控制器

技术领域

本发明涉及石油钻机设备泥浆循环系统、高压管汇阀门组的远程控制。

背景技术

钻机是石油开采的重要装备之一，石油钻机是一套综合机组，它是由：地面旋转钻进设备、循环系统设备、提升系统设备、动力驱动设备、传动系统设备、控制系统设备、钻机底座、辅助设备所组成。

循环系统设备是钻机配套设备之一(如图1所示)，它是由：泥浆泵(A1)(B1)、地面管汇(P2)及阀门组(F)、泥浆循环罐(X)、泥浆净化设备(J)、泥浆调配设备(T)所组成。随着科技的进步，石油钻机自动化程度也在提高，很多方面都实现了自动化或半自动化，操作上集中控制，减少了操作人员，减轻了工人的劳动强度，使钻井生产更加安全，效率更高。循环系统设备作为钻机的配套设备之一，也在不断完善更新，虽然现在的石油钻机设备都比较先进，但循环系统中的地面管汇阀门组(F)，还需要用人力去扳动大阀门进行泥浆泵与井口之间(称之为大循环)、泥浆泵与泥浆枪之间(称之为小循环)、泵(A1)与泵(B1)之间的倒换和开与关。

为了探明和获得更多的石油，向更深的地层钻探，大型石油钻机的钻井深度在4000米或更深8000米以上，随着钻井深度的增加，为了安全，井口装置也要不断的强化，为安装这些井口装置，钻台的设计高度也在不断的升高，由原来的4米多增加到现在的10米左右或更高，对于地面管汇阀门组进行开关倒换，操作人员就必需从高高的钻台跑到地面来操作，一般大型石油钻机管汇阀门组由5个大闸板阀门所组成(如图2所示)，阀门组的开关顺序与开关时间长短对井下安全是有一定影响的，泥浆管汇阀门组属于高压大平板闸阀门，要完全打开或关闭需要板动手柄(或手轮)十几圈以上，开关起来费力又费时，如果误操作把阀门错关了还会造成安全事故，如蹩泵等。所以管汇阀门组开关操作一般都是指定由副司钻进行，现代石油钻机设备自动化程度越来越高，不需要过多的工作人员，在遇到一些特殊钻井作业时，如高压管汇泄压(下钻后发生喷嘴水眼堵塞不通时泵压会快速升高，须立即停泵，由于管内压力蹩得很高，再次起动泥浆泵时需要泄压)和处理泥浆等，有时为了检修泥浆泵或处理井下复杂事故，也需要不断的倒换泥浆泵来工作(一般大型石油钻机都配有两台泥浆泵)，管汇阀门组开关倒换有时很频繁，由于现在的钻台高度很高，使原来就难于操作的管汇阀门组操作起来就更加费时费力更加麻烦。

为了解决这个问题，有的油田钻井公司对循环系统管汇及阀门组也做过一些改进，都是从管汇及阀门组的从重新布局排列着手进行改进，还有的把阀门组安上了钻台，但这些改装都存在很多问题，一是管汇管线增多，安装变得复杂，二是占用有限的钻台面积，使钻台操作场地变得复杂、不安全，安装也困难，三还是不能解决人力操作的老问题。以上这些改装是无法改变现有循环系统阀门组操作的实质问题，所以到目前为止石油钻机循环系统阀门组几十年没有改变，是现在石油钻机设备中的一块短板，也是现代石油钻机设备配套中的不足之处，不能很好的适应现代钻井设备的发展，不能体现现代石油钻机设备的应有水平。

发明内容

本发明的目的是提供一套安全可靠、动作迅速能够在钻台上远程控制泥浆流向的分配器，替代现有石油钻机循环系统设备中的管汇阀门组，不需要操作人员从钻台跑到地面去扳动阀门来进行泥浆液的流向倒换及开关，根椐钻井需要由操作人员(司钻)在钻台上或控制室内对其进行操作，控制泥浆液的流向倒换(大小循环)及开关和泄压，任意操作(包括误操作)都不会发生蹩泵事故，不但能在钻台上进行操控，在地面上也能单独对其进行操控，并带有显示提示，使操作人员一目了然，根椐石油钻机的配置不同可以对单组(由一台泥浆泵组成的泥浆循环系统)或多组(由两台或两台以上泥浆泵组成的泥浆循环系统)进行控制，使石油钻机的自动化控制得到一定的提升。

解决问题的手段

为了达到上述目的实现本发明，首先对石油钻井循环系统工作流程进行分析，以石油钻机常用的双泵循环系统为例(如图1所示)

泥浆循环系统中的一路泥浆液流向(大循环)为：循环罐(X)→泥浆泵(A1或B1)→阀门组(F)→地面管汇(P2)→高压水龙带→水龙头→方钻杆→井底→井口→振动筛(J)→循环罐(X)

另一路泥浆液流向(小循环)为：循环罐(X)→泥浆泵(A1或B1)→阀门组(F)→小循环管线(P3)→泥浆枪或泥浆调配台(T)→循环罐(X)

通过对循环系统中的泥浆液流向分析得出，泥浆液在泥浆泵的作用下总是在单向流动进行循环。

根椐泥浆液在循环系统中单向流动这个特点，本发明采用的技术方案是：在一个中间有进口两边有出口的三通阀体内，装有一个用气缸带动的双作用活塞，双作用活塞在三通阀体内移动、能封堵一边出口的同时打开另一边的出口，即三通阀中间的进口在双作用活塞的移动下能分别与两个出口联通和关闭，三通阀两边的出口分别连接一个单向阀，在两个单向阀之间联接一个用气缸来带动的阀门，用一套控制气路来操作实现的。

本发明是这样实现的(如图3所示)，在一个三通阀体(3)内装有一个双作用活塞(4)，三通阀体(3)中间开有一个进口(Q1)与泥浆泵出口(A1)相连，三通阀体(3)左右两边各开有一个出口(Q2)(Q3)，在三通阀体(3)内左右两边与出口(Q2)(Q3)通道处各装有一个阀座(2)(5)与装在中间的双作用活塞(4)相对应，气缸(8)通过活塞杆(7)带动双作用活塞(4)可以在三通阀体(3)内左右移动，当双作用活塞(4)移动到阀座(2)或阀座(5)上时，可以堵住三通阀体(3)左边阀座(2)或右边阀座(5)的出口通道，使三通阀体(3)上的中间进口(Q1)只能与三通阀体(3)左右两边其中一个出口(Q2)或(Q3)相通，在三通阀体(3)左右两边出口(Q2)(Q3)处各连接一个单向阀(9)(15)，单向阀(9)(15)内各装有一个单向凡尔(10)(14)，单向阀(15)的出口(A2)连接高压管汇通往井口(大循环)，另一个单向阀(9)出口(A3)连接到通往泥浆枪的管线(小循环)，在两个单向阀(9)(15)出口之间联接了一个用气缸(11)来带动开关的阀门(12)。

在实施过程中只要对气缸(8)(11)进行控制，使气缸(8)带动双向活塞(4)左右移动来堵住三通阀体(3)内两边其中一个阀座出口就能达到控制泥浆的流向和开关作用，单向阀(15)中的单向凡尔(14)和单向阀(9)中的单向凡尔(10)的作用是在使用两台泵(或多台泵)并联工作时防止管路内的压力泥浆不倒流泄压，当需要对高压管汇泄压时控制气缸(11)拉动连杆(13)打开阀门(12)使单向阀(15)与单向阀(9)串通，使高压管汇中的高压泥浆通过管路经泥浆枪流回到循环罐。

当配有两台(一般大型石油钻机标准配置两台泥浆泵)或两台以上的泥浆泵时，将上述两套或两套以上的相同装置出口并联(如图4、图5所示)，即通往高压管汇井口的单向阀出口与另一套通往高压管汇井口的单向阀出口并联、通往泥浆枪的单向阀出口与通往泥浆枪的单向阀出口相并联。

本发明的远程控制方法和显示功能是通过气动元件、管线、电气元件所组成的一套控制气路及显示电路来实现的(如图6所示)，通过钻台(Z)操作人力换向阀(1G)、(2G)、(3G)或通过地面(Y)的控制阀(K)切换到(1g)、(2g)、(3g)人力控制换向阀来控制气缸(8)伸缩移动双向活塞(4)和气缸(11)来带动阀门(12)开关来完成泄压的，由于气动回路控制和传感显示电路有很多种方案可实施，在此只例举一种气控原理图及显示电路示意图来说明，显示功能是由气缸(8)、气缸(11)左右伸缩移动通过传感器将信号传给控制电路(N)，由控制电路(N)来带动相应的指示显示(S)。

与现有技术比较

本发明能很好地实现现有技术管汇阀门组的替换更新，由于管线的安装连接与原管汇阀门组安放及安装位置相同(如图7所示)，(H)是本发明的实施例，不用改变原有的管汇布局，所以安装改动小，匹配性好，同时也能应用到新钻机的配套上。

本发明操作使用空气压缩气为工作介质，与现有石油钻机控制操作为同一工作介质，不需要另外增加设备。由于使用压缩气来源方便，不污染环境，反应快安全可靠，环境适应好，安装维护方便，特别适应易燃易爆的石油钻井场所。

本发明实现了在钻台上远程控制泥浆液的分配及开关，使石油钻机自动化程度有所提高，加快了倒换开关的速度，减轻了操作工人的劳动强度，使其操作变得安全轻快，不会发生蹩泵事故，使井下的安全保障进一步得到了提高。

本发明装有显示功能，能显示泥浆分配远程控制器的工作状况，泥浆液的流向状态使操作人员一目了然。

本发明有很好的通用组合性，操作简单方便，可以在钻台上远程操控或在地面上近程操控，可单组(单台泥浆泵)或多组(两台以上泥浆泵)并联使用，如使用三台泥浆泵只需对控制气路和显示电路做一些改动即可。

本发明的关闭原理采用堵塞的方法来实现泥浆流向及的开关，压力越大关闭越紧，活塞杆的密封装置工作在中低压部份，所以可靠性很高，寿命长，结构简单检修方便。

附图说明

图1是石油钻机设备的配置平面布置示意图；

图2是石油钻机泥浆管汇阀门组示意图；

图3是本发明的结构示意图；

图4是本发明控制两台泥浆泵的管路连接示意图；

图5是本发明控制叁台泥浆泵的管路连接示意图；

图6是操作控制本发明用的气控回路原理及显示电路示意图；

图7是本发明替换现有石油管汇阀门组实施例示意图；

图8是本发明在开双泵大循环时的工作原理示意图；

图9是本发明在开双泵小循环时的工作原理示意图；

图10是本发明在一台泵大循环、一台泵小循环时的工作原理示意图；

图11是本发明停泵泄压时的工作原理示意图；

下面结合图3、图6、图8、图9、图10、图11具体说明本发明的实施过程

实施例中(1)左阀盖    (2)左阀座   (3)三通阀体   (4)双作用活塞  (5)右阀座    (6)右密封阀盖    (7)活塞杆    (8)气缸    (9)单向阀    (10)单向凡尔    (11)气缸    (12)阀门   (13)连杆    (14)单向凡尔    (15)单向阀(Q1)进口    (Q2)(Q3)出口    (A1)接一号泵出口    (B1)接二号泵出口(A2)(A3)(B2)(B3)单向阀出口    (P2)通向井口高压管汇   (P3)通向循环罐(Z)钻台   (Y)地面   (1G)(2G)(3G)钻台控制手动换向阀(1g)(2g)(3g)地面控制手动换向阀   (K)地面与钻台切换控制阀

以两台泥浆泵循环系统实施为例：将相同的两组(1#)(2#)本发明并联(如图4所示)，即(1#)单向阀出口(A2)和(2#)单向阀出口(B2)并联后通向(P2)井口高压管汇，(1#)单向阀出口(A3)和(2#)单向阀出口(B3)并联后通向(P3)循环罐，(A1)接一号泥浆泵，(B1)接二号泥浆泵。

开动双泥浆泵钻井时的控制(如图8所示)

(参照图6)操作钻台手动控制换向阀(1G)(2G)向右，使(1#)和(2#)两组中的气缸(8)左边进气通过活塞杆(7)向右拉动双作用活塞(4)与阀座(5)相配合堵住右边通道，左边阀座(2)的通道同时被打开，来自一号泵(A1)的高压泥浆进入(1#)三通阀体(3)至单向阀(15)顶开单向凡尔(14)流向(A2)向(P2)输送高压泥浆，来自二号泵(B1)的高压泥浆进入(2#)三通阀体(3)至单向阀(15)顶开单向凡尔(14)流向(B2)向(P2)输送高压泥浆。

开动双泥浆泵向循环罐循环泥浆时的控制(如图9所示)

(参照图6)操作钻台手动控制换向阀(1G)(2G)向左，使(1#)和(2#)两组中的气缸(8)右边进气通过活塞杆(7)向左推动双作用活塞(4)与阀座(2)相配合堵住左边通道，右边阀座(5)的通道同时被打开，来自一号泵(A1)的泥浆进入(1#)三通阀体(3)到单向阀(9)顶开单向凡尔(10)流向(A3)向(P3)输送低压泥浆(因为通向泥浆罐的管路出口较大压力无法升高)，来自二号泵(B1)的泥浆进入(2#)三通阀体(3)到单向阀(9)顶开单向凡尔(10)流向(B3)向(P3)输送低压泥浆回到循环罐。

开动单泵钻井，另一台泥浆泵向循环罐循环泥浆时的控制(如图10所示)

设：一号泥浆泵钻井向井内输送泥浆，二号泥浆泵向循环罐输送泥浆

(参照图6)操作钻台手动控制换向阀(1G)向右，使(1#)中的气缸(8)左边进气通过活塞杆(7)向右拉动双作用活塞(4)与阀座(5)相配合堵住右边通道，左边阀座(2)的通道同时被打开，来自一号泵(A1)的高压泥浆进入(1#)三通阀体(3)到单向阀(15)顶开单向凡尔(14)流向(A2)向(P2)输送高压泥浆至井底，由于(2#)单向阀(15)中的单向凡尔(14)堵住了来自(A2)压力泥浆，所以不影响到(2#)双作用活塞(4)的正常工作。

(参照图6)操作钻台手动控制换向阀(2G)向左，使(2#)中的气缸(8)右边进气通过活塞杆(7)向左推动双作用活塞(4)与阀座(2)相配合堵住左边通道，右边阀座(5)的通道同时被打开，来自二号泵(B1)的泥浆进入(2#)三通阀体(3)到单向阀(9)顶开单向凡尔(10)流向(B3)向(P3)输送泥浆到循环罐。

管路泄压控制(如图11所示)

停止泥浆泵运转，(参照图6)操作钻台手动控制换向阀(3G)向右，使气缸(11)左边进气向右拉动连杆(13)打开阀门(12)，单向阀(15)与单向阀(9)开通，蹩在钻具及高压管汇(P2)的压力泥浆回流经(A2)进入单向阀(15)通过阀门(12)流进单向阀(9)再通过(A3)流向(P3)回到循环罐，完成泄压后再次操作手动控制换向阀(3G)向左，使气缸(11)右边进气向左推动连杆(13)关闭阀门(12)，即可再起动泥浆泵。

以上实施例对气缸的操作控制都是在停泵后进行的(手扳阀门组开关也是要在泵停后才能进行操作)，从以上实施例图中可以看出由于本发明在关闭三通阀体(3)内一路通道时，也同时打开了另一路通道，所以不管怎样操作，始终三通阀体(3)内都有一路通道是打开的，不会造成泥浆泵出口管路完全关闭现象，也就不会发生泥浆泵蹩泵事故。

通过操作换向阀(K)可以将钻台(Z)转换到地面(Y)近距离用手动控制换向阀(1g)、(2g)、(3g)完成对上述气缸的操控。(显示功能描述略)

Claims (7)

1.一种泥浆分配远程控制器，其特征是：在一个三通阀体(3)内的左右阀座(2)(5)之间装有一个用气缸(8)来移动堵塞左右通道的双作用活塞(4)，三通阀体(3)左右两个出口处分别连接有单向阀(9)(15)，单向阀(9)出口处与单向阀(15)出口处之间连接一个用气缸(11)来带动的阀门(12)。

2.如权利要求1所述的泥浆分配远程控制器，其特征是：三通阀体(3)中间部位有一个进口(Q1)与左右两边的出口(Q2)(Q3)相通。

3.如权利要求1、2所述的泥浆分配远程控制器，其特征是：三通阀体(3)进口(Q1)与左边出口(Q2)通道内之间和进口(Q1)与右边出口(Q3)通道内之间各装有一个密封端面相对的阀座(2)(5)。

4.如权利要求1所述的泥浆分配远程控制器，其特征是：双作用活塞(4)是通过活塞杆(7)从右边阀座(5)中间和带密封装置的阀盖(6)穿过与气缸(8)相连接。

5.如权利要求4所述的泥浆分配远程控制器，其特征是：双作用活塞(4)，活塞杆(7)和左阀座(2)右阀座(5)在三通阀体(3)内都在同一轴线上，双作用活塞(4)在气缸(8)的推拉带动下能在三通阀体(3)内来回移动并能与左阀座(2)和右阀座(5)的密封端面配合密封。

6.如权利要求5所述的泥浆分配远程控制器，其特征是：双作用活塞(4)移动到左阀座(2)或右阀座(5)上时，相对应的阀座通道处于打开状态，即一个打开另一个就关闭。

7.如权利要求1所述的泥浆分配远程控制器，其特征是：单向阀(9)出口与单向阀(15)出口之间连接的阀门(12)是通过气缸(11)推拉连杆(13)来打开和关闭单向阀(9)与单向阀(15)之间通路的。

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