CN104481451B - 一种顶部驱动固井水泥头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种顶部驱动固井水泥头，包括上接头，上接头向下与上主体总成连接，上主体总成中的设备通过进气管线对外连通，上主体总成向下通过快速连接机构与下主体总成连接；上主体总成和下主体总成中分别设置有一个气动执行器，下主体总成中的投球装置还通过气控管线对外连接。本发明装置，通过密封套筒隔离流体溢出，通过连接套筒将上主体与下主体轴向连接起来，可承受大勾载。气动执行器、指示器等可实现远程控制及投球指示功能。
Description
技术领域
本发明属于机械设备技术领域，涉及一种顶部驱动固井水泥头。
背景技术
海洋油气勘探开发是一项高风险、高投入的事业。目前在海上油气开发中主要使用固定式、半潜式和浮动式钻井平台。而现有水泥头具有回转空间大、抗拉强度低、承扭能力弱、只能投放单一种类胶塞(钻杆胶塞或套管胶塞等)，无法投座封球、作业过程需要停泵等劣势。无法适应海上油气开发需要，对陆地深井超深井需求亦无法完全满足。同时固井压力越来越大，常规固井需作业者近距离作业，不仅承受高压作业风险时，而且承受高空落物打击风险，并且在作业过程中有高空坠落风险。
发明内容
本发明提供了一种顶部驱动固井水泥头，解决现有水泥头规格多、功能单一、无法承受大扭矩高载荷、无法投放座封球、操作安全风险高的问题。
本发明采用的技术方案是，一种顶部驱动固井水泥头，包括上接头，上接头向下与上主体总成连接，上主体总成中的设备通过进气管线对外连通，上主体总成向下通过快速连接机构与下主体总成连接；上主体总成和下主体总成中分别设置有一个气动执行器，下主体总成中的投球装置还通过气控管线对外连接。
本发明的顶部驱动固井水泥头，其特征还在于：
上主体总成的结构是，包括流体通道旋转总成，在流体通道旋转总成下端沿直径方向安装有旋转阀A，旋转阀A的一端支撑在流体通道旋转总成下端管壁上，旋转阀A的另一端固定支撑在法兰A通孔中；
流体通道旋转总成的结构是，包括中心筒和支撑筒，中心筒和支撑筒均套装在上主体总成中的上主体外圆周，并且中心筒与上主体固定连接，中心筒外圆周另外套装有外筒，且外筒坐在中心筒下端的凸沿上；外筒筒壁上开有多个环槽，环槽对应外筒上的一个进气孔，同时亦对应中心筒上的壁内通道，壁内通道与中心筒中的出气孔连通；外筒上端沿与扭力环的接触面通过齿面配合连接，支撑筒下端沿与扭力环螺纹连接；
支撑筒上端沿内台阶与上主体之间设置有压盖，压盖套装在上主体上，压盖下端面与支撑筒之间设置有挡圈，压盖与支撑筒采用螺纹连接；
支撑筒中部径向安装有多个注入头，该多个注入头沿圆周均匀分布，每个注入头与支撑筒固定连接；
各个注入头的内孔与上主体的内腔连通。
旋转阀A的结构是，在圆柱B的两端分别为台阶形的直径较小的圆柱A和圆柱C，圆柱B的中间位置径向开有通道A及通道B，通道A及通道B在圆柱B的中心轴A处相通，在圆柱B靠近的圆柱A径向开有通透孔A，通道C的中心线位于通透孔A的中心线与中心轴A所形成的平面上，且通道C与通道A、通道B相通。
下主体总成的结构是，包括下主体，下主体与上主体通过花键固定连接；在上主体与下主体上同时套装有外套筒，外套筒下端与下主体之间通过螺纹副B套接，外套筒内壁与上主体与下主体之间设置有密封套筒；下主体中径向安装有旋转阀B，旋转阀B一端支撑在下主体中，旋转阀B另一端支撑在法兰B中，法兰B与下主体侧壁固定连接。
旋转阀B的结构是，在中段大圆柱的两端分别为台阶形的直径较小的两个小圆柱，一边小圆柱用于支撑在下主体管壁，另一边小圆柱用于支撑在法兰B中，中段大圆柱的中间位置径向开有通道E及通道D，通道E及通道D在中段大圆柱的中心轴B处相通，在中段大圆柱一边径向开有通透孔B。
上主体及下主体均为回转体，上主体回转中心设置有一主通道及一个偏心的旁通；下主体设置有一没有贯通的偏心孔；上主体的主通道及旁通分别与下主体相应中心孔和偏心孔中心对齐。
下主体下段径向设置有指示器。
旋转阀A的中心轴A侧面开有一个指示槽。
本发明有益效果是：顶部驱动装置或套管送入工具带动上接头旋转，通过下接头将扭矩传递给管柱。通过花键连接传递扭矩，螺纹连接传递拉压载荷，主孔与偏心孔配合旋转阀形成内部流道组合，通过流体通道旋转总成实现流体从不旋转管线到旋转通道的转变。再使用气控系统实现远程自动控制，完成自动投胶塞及座封球功能。固井作业过程中旋转的同时可上提下放。远程自动控制，无需人工操作，无需停转停泵，保证作业连续性。根据作业需要，可释放钻杆胶塞、套管胶塞、座封球等，满足多种作业需要。可承受大扭矩，大载荷，只需一种规格即可满足绝大部分作业需求。
附图说明
图1为本发明装置的总体结构示意图；
图2为本发明装置中的上主体总成200的半剖图；
图3为本发明装置中的旋转通道总成210的放大半剖图；
图4为图2及图3中的A-A截面示意图；
图5为本发明装置中的旋转阀A250的三维示意图一；
图6为本发明装置中的旋转阀A250的三维示意图二；
图7为本发明装置中的旋转阀B420的三维示意图；
图8为本发明装置中的下主体总成400的半剖图；
图9为图8中的B-B截面示意图。
图中，10.投球装置，20.提升短节，30.钻杆短节，40.进气管线，50.气控管线，60.气动执行器，
100.上接头，110.螺纹副A，
200.上主体总成，210.流体通道旋转总成，211.上主体，212.压盖，213.紧定螺钉A，214.挡圈，215.组合密封，216.螺栓A，217.注入头，218.支撑筒，219.紧定螺钉B，220.扭力环，221.中心筒，222.外筒，223.螺栓B，224.内孔，225.旁通，226.主通道，227.连通孔，228.凸沿，229.进气孔，230.环槽，231.壁内通道，232.出气孔，250.旋转阀A，251.圆柱A，252.圆柱B，253.圆柱C，254.通道A，255.通道B，256.通透孔A，257.通道C，258.中心轴A，259.指示槽，260法兰A，270.螺栓C，280.胶塞A，290.胶塞B，
300.快速连接机构，310.外套筒，320.密封套筒，330.密封圈，340.螺纹副B，
400.下主体总成，410.下主体，420.旋转阀B，421.通道E，422.通透孔B，423.通道D，424.中心轴B，430.法兰B，440.螺栓D，450.指示器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
参照图1，本发明装置的整体结构是，包括上接头100，上接头100向上与钻杆短节20或其他提升工具连接，上接头100向下通过螺纹副A110与上主体总成200连接，上主体总成200中的设备通过进气管线40对外连通，上主体总成200向下通过快速连接机构300与下主体总成400连接，下主体总成400通过最下端的钻杆短节30向下与套管柱或其他伸入井底的管状物连接；上主体总成200和下主体总成400中分别设置有一个气动执行器60(下主体总成400还可以设置有两个气动执行器60)，下主体总成400中的投球装置10还通过气控管线50对外连接；
参照图2，上主体总成200的结构是，包括流体通道旋转总成210，在流体通道旋转总成210下端沿直径方向安装有旋转阀A250，旋转阀A250的一端支撑在流体通道旋转总成210下端管壁上，旋转阀A250的另一端通过多个螺栓C 270固定支撑在法兰A260通孔中；
参照图3及图4，流体通道旋转总成210的结构是，包括中心筒221和支撑筒218，中心筒221和支撑筒218均套装在上主体总成200中的上主体211外圆周，并且中心筒221通过螺栓B223与上主体211固定连接，中心筒221外圆周另外套装有外筒222，且外筒222坐在中心筒221下端的凸沿228上；外筒222筒壁上开有多个环槽230(此环槽230亦可位于与之配合的中心筒221的外圆柱上)，环槽230对应外筒222上的一个进气孔229，同时亦对应中心筒221上的壁内通道231，壁内通道231与中心筒221中的出气孔232连通；外筒222上端沿与扭力环220的接触面通过齿面配合连接，支撑筒218下端沿与扭力环220通过螺纹连接并径向安装有紧定螺钉B219，用于固定支撑筒218与扭力环220之间的圆周相对位置；
支撑筒218上端沿内台阶与上主体211之间设置有压盖212，压盖212套装在上主体211上，两者之间设置有耐磨环，压盖212下端面与支撑筒218之间设置有挡圈214，挡圈214用于将支撑筒218上端定位，压盖212与支撑筒218采用螺纹连接并通过紧定螺钉A213连接，实现周向固定；
支撑筒218中部径向安装有多个注入头217，该多个注入头217沿圆周均匀分布，每个注入头217通过螺栓A216与支撑筒218固定连接(注入头217与支撑筒218之间也可采用螺纹连接)，两者之间通过密封圈实现密封；支撑筒218与上主体211接触面上下位置分别设置有一套组合密封215，实现密封；
各个注入头217的内孔224与上主体211的内腔连通，允许外部流体进入上主体211中，该流体通道旋转总成210固定连接在钻台面上(不会跟随上主体211旋转)，以便实现作业过程中流体(包括任意介质，如液体、气体)从静止管汇或管线进入旋转体之间的转换旋转。因此，在作业过程中，不会发生流体管线缠绕或中断流体供应的现象。
参照图3及图4，带压气体(空气或氮气)从进气孔229及环槽230进入中心筒221的壁内通道231(壁内通道231位于中心筒221管壁内部)，从出气孔232出来，其中，每个环槽230两侧都有密封圈密封，(图3中的两边的编号230是同一个部件)，进气孔229与钻机气源或自备气体气源引出的进气管线40连接，出气孔232与气控管线50连接，气控管线50再分别与各气动执行器60及投球装置10连接；
图1、图2中未描绘出连接到上接头100或流体通道旋转总成210的远程控制阀，该远程控制阀可断开流体从顶部驱动设备、套管送入工具或其他管汇流入本发明装置中。
图4为图2及图3中的A-A截面示意图，上主体211中沿轴向开有主通道226和旁通225，在使用状态，流体通道旋转总成210是保持静止的，上主体211以及与其相连接的上接头100、下主体总成400是旋转的，同时，流体通过内孔224流入旁通225，旁通225再经过连通孔227与主通道226相通，故流体可顺利进入旁通225及主通道226。
参照图4，外筒222沿圆周均布有四个凹槽，与之配合的扭力环220均布有四个凸台，当上主体211以及中心筒221旋转时，静止不动的扭力环220通过凹槽-凸台的配合面作用，也使能够外筒222与中心筒221保持周向静止。
参照图5、图6，旋转阀A250的结构是，在圆柱B252的两端分别为台阶形的直径较小的圆柱A251和圆柱C253，圆柱A251用于支撑在上主体211管壁，圆柱C253用于支撑在法兰A260中，圆柱A251的端面开有指示槽259，圆柱B252的中间位置径向开有通道A254及通道B255(通道B255为通孔)，通道A254及通道B255在圆柱B252的中心轴A258处相通，在圆柱B252靠近的圆柱A251径向开有通透孔A256(通透孔A256的中心线与中心轴A258垂直)，通道C257的中心线位于通透孔A256的中心线与中心轴A258所形成的平面上，且通道C257与通道A254、通道B255相通。
圆柱A251与上主体211之间接触面设置有旋转密封，圆柱B252与上主体211之间也有旋转密封，也可在法兰A260与上主体211之间装有法兰密封，在圆柱C253与法兰A260之间装有旋转密封。
参照图7、图8，图8为图7中的B-B截面示意图，下主体总成400的结构是，包括下主体410，下主体410与上主体211通过花键固定连接，用来传递扭矩，其中上主体211下端为外花键，下主体410上端为内花键；在上主体211与下主体410上同时套装有外套筒310，外套筒310用来传递拉力，外套筒310上端与上主体211采用台肩轴向定位，外套筒310下端与下主体410之间通过螺纹副B340套接，外套筒310内壁与上主体211与下主体410之间设置有密封套筒320，密封套筒320下端安装有密封圈330，密封圈330用于密封本发明与外界环境，防止外界流体与本发明内部流体沟通；下主体410中径向安装有旋转阀B420，旋转阀B420一端支撑在下主体410中，旋转阀B420另一端支撑在法兰B430中，法兰B430通过螺栓D440与下主体410侧壁固定连接；下主体410下端与钻杆短节30(不限于钻杆短节)活动连接，可拆卸；
在下主体410下段径向设置有指示器450，当流体泵送胶塞A280或胶塞B290通过时，指示器450即可显示胶塞A280或胶塞B290是否顺利通过(将胶塞换成座封球亦具有相同指示功能)，该指示器450可采用机械式可视化指示，也可采用发光发声装置。
上主体211及下主体410均为回转体，上主体211回转中心设置有一主通道226及一个贯通的旁通225；下主体410设置有一没有贯通的偏心孔；上主体211的主通道226及旁通225分别与下主体410相应中心孔和偏心孔中心对齐。
参照图9，旋转阀B420的结构是，在中段大圆柱的两端分别为台阶形的直径较小的两个小圆柱，一边小圆柱用于支撑在下主体410管壁，另一边小圆柱用于支撑在法兰B430中，中段大圆柱的中间位置径向开有通道E421及通道D 423，通道E421及通道D423在中段大圆柱的中心轴B424处相通，在中段大圆柱一边径向开有通透孔B422。
上述的两个旋转阀(250、420)分别利用各自的法兰(260、430)安装在上主体211及下主体410上，实现对胶塞或座封球(280、290)隔离与释放，通过不同旋转位置的组合实现对流体的各种循环。
本发明可预装两个胶塞(包括钻杆胶塞、套管胶塞)及对应的座封球，投球装置作为一个可选装置，在必要时亦可通过旋转阀处安装座封球。
胶塞280预先安装在主通道226与旋转阀A250、旋转阀B420所形成的内腔中(图2所示为主通道226与旋转阀A250所形成的内腔，即流体通道旋转总成210下端内腔)，胶塞280用于与套管柱内的胶塞合为一体后固井用的。胶塞A280亦可用座封球替换(图中未显示)，用于尾管悬挂器憋压坐封。
在图2所示安装位置，胶塞280被旋转阀A250挡住，在流体冲击下不会下落。此时，流体经通透孔A256流入旁通225，并经通道C257和通道A254流入主通道226，压紧胶塞290，见图7。当旋转阀A250绕中心轴A258旋转90°时，通道B255与主通道226相通，旁通225被关闭，在流体作用下胶塞280下落。旋转阀B420与旋转阀A250结构功能原理相似，不再赘述。
本发明具有多个流体入口，既可以通过上接头100处注入流体，也可通过注入头217处注入流体，注入头217对外可接远程控制阀与固井管线相接，上接头100上端口或下接头400下端口均可接远程控制阀，实现对整个固井作业过程中所有流体通道入口与出口的自动控制。因此，本发明在作业完成后，可自动完成对自身所有流体通道的清洗。
本发明装置的工作过程如下：
1)预先安装胶塞：卸开上接头100及提升短节20，卸开气动执行器60、螺栓C270、法兰A260，取出旋转阀A250，将胶塞B290装入主通道226，压紧在旋转阀B420上；然后回装旋转阀A250、法兰A260、螺栓C270、气动执行器60；装入胶塞A280，压紧在旋转阀A250上；回装上接头100及提升短节20。
2)将本发明装置各个外接口分别与动力端(顶部驱动装置、套管送入装置或转盘等)、流体输送管线对应连接好。
3)循环流体：当流体来自顶部驱动装置或套管送入工具时，经提升短节20、主通道226、连通孔227、旁通225、通透孔A256，流过旋转阀B420进入与钻杆短节30相接的管柱。当旋转阀B420绕中心轴B424旋转90°，通道D423与主通道226相通，流体从通道C257经通道B255、主通道226进入与钻杆短节30相接的管柱。当旋转阀A250绕中心轴A258旋转90°时，通道B255与主通道226相通，流体直接进入与钻杆短节30相接的管柱。当流体来自注入头217时，直接进入旁通225，其余过程如上所述。
4)投胶塞或座封球：当需要投胶塞或座封球时，通过远程控制旋转阀(250或420)绕自己的中心轴(258或424)旋转90°，胶塞或座封球就被释放。旋转阀A250的中心轴A258侧面开有一个指示槽259，不仅可用于观察安装位置，也可用来指示旋转动作(旋转阀B420亦有指示槽)，当座封球或胶塞释放时，可通过此处观察确认。
5)清洗流道：转动旋转阀A250及B420，使通道B255、通道D423均与主通道226贯通，流体从注入头217的内孔224进入主通道226进行清洗；将旋转阀A250旋转90°，使通道B255与主通道226关闭，流体清洗旁通225位于旋转阀A250以上部分，以及通道A254、通道C257；接着转动旋转阀B420，使通道D423与主通道226关闭，流体清洗旁通225位于两个旋转阀中间的部分，以及通道E421、以及通透孔B422。
6)从管串上拆下本装置，准备开始后续作业。
本发明装置可根据需要在上主体100或下主体410上增加旋转阀的数量，与之对应的气控通道随之增减。
可将胶塞或座封球预先安装于旋转阀和主通道226形成的半闭空间内，亦可将座封球预装于独立的投球装置内。
上接头100与提升短节20(不限于提升短节)、下接头410与钻杆短节30(不限于钻杆短节)之间均可安装远程控制阀，该远程控制阀动力通过自备或由气控管线提供。
注入头217沿支撑筒周向分布，可均布2～4个，且注入头217可装有远程控制阀。
本发明可与顶驱驱动设备或顶驱下套管工具等配套使用，具有传递大扭矩、承受大载荷、远程自动控制、结构紧凑、功能多样的特点，具有可投放胶塞、座封球，在旋转同时可上提下放，作业无需停泵，可用于一般套管固井及旋转尾管固井等优点。本发明不仅可用于海上固井作业，也可用于陆地深井超深井大位移水平井固井作业。不仅能实现套管尾管的顺利下入，也可节约钻井时间，提高固井质量。
Claims (7)
1.一种顶部驱动固井水泥头，其特征在于：包括上接头(100)，上接头(100)向下与上主体总成(200)连接，上主体总成(200)中的设备通过进气管线(40)对外连通，上主体总成(200)向下通过快速连接机构(300)与下主体总成(400)连接；上主体总成(200)和下主体总成(400)中分别设置有一个气动执行器(60)，下主体总成(400)中的投球装置(10)还通过气控管线(50)对外连接；
所述的上主体总成(200)的结构是，包括流体通道旋转总成(210)，在流体通道旋转总成(210)下端沿直径方向安装有旋转阀A(250)，旋转阀A(250)的一端支撑在流体通道旋转总成(210)下端管壁上，旋转阀A(250)的另一端固定支撑在法兰A(260)通孔中；
流体通道旋转总成(210)的结构是，包括中心筒(221)和支撑筒(218)，中心筒(221)和支撑筒(218)均套装在上主体总成(200)中的上主体(211)外圆周，并且中心筒(221)与上主体(211)固定连接，中心筒(221)外圆周另外套装有外筒(222)，且外筒(222)坐在中心筒(221)下端的凸沿(228)上；外筒(222)筒壁上开有多个环槽(230)，环槽(230)对应外筒(222)上的一个进气孔(229)，同时亦对应中心筒(221)上的壁内通道(231)，壁内通道(231)与中心筒(221)中的出气孔(232)连通；外筒(222)上端沿与扭力环(220)的接触面通过齿面配合连接，支撑筒(218)下端沿与扭力环(220)螺纹连接；
支撑筒(218)上端沿内台阶与上主体(211)之间设置有压盖(212)，压盖(212)套装在上主体(211)上，压盖(212)下端面与支撑筒(218)之间设置有挡圈(214)，压盖(212)与支撑筒(218)采用螺纹连接；
支撑筒(218)中部径向安装有多个注入头(217)，该多个注入头(217)沿圆周均匀分布，每个注入头(217)与支撑筒(218)固定连接；
各个注入头(217)的内孔(224)与上主体(211)的内腔连通。
2.根据权利要求1所述的顶部驱动固井水泥头，其特征在于：所述的旋转阀A(250)的结构是，在圆柱B(252)的两端分别为台阶形的直径较小的圆柱A(251)和圆柱C(253)，圆柱B(252)的中间位置径向开有通道A(254)及通道B(255)，通道A(254)及通道B(255)在圆柱B(252)的中心轴A(258)处相通，在靠近圆柱A(251)的圆柱B(252)上径向开有通透孔A(256)，通道C(257)的中心线位于通透孔A(256)的中心线与中心轴A(258)所形成的平面上，且通道C(257)与通道A(254)、通道B(255)相通。
3.根据权利要求1所述的顶部驱动固井水泥头，其特征在于：所述的旋转阀A(250)的中心轴A(258)侧面开有一个指示槽(259)。
4.根据权利要求1所述的顶部驱动固井水泥头，其特征在于：所述的下主体总成(400)的结构是，包括下主体(410)，下主体(410)与上主体(211)通过花键固定连接；在上主体(211)与下主体(410)上同时套装有外套筒(310)，外套筒(310)下端与下主体(410)之间通过螺纹副B(340)套接，外套筒(310)内壁与上主体(211)与下主体(410)之间设置有密封套筒(320)；下主体(410)中径向安装有旋转阀B(420)，旋转阀B(420)一端支撑在下主体(410)中，旋转阀B(420)另一端支撑在法兰B(430)中，法兰B(430)与下主体(410)侧壁固定连接。
5.根据权利要求4所述的顶部驱动固井水泥头，其特征在于：所述的旋转阀B(420)的结构是，在中段大圆柱的两端分别为台阶形的直径较小的两个小圆柱，一边小圆柱用于支撑在下主体(410)管壁，另一边小圆柱用于支撑在法兰B(430)中，中段大圆柱的中间位置径向开有通道E(421)及通道D(423)，通道E(421)及通道D(423)在中段大圆柱的中心轴B(424)处相通，在中段大圆柱一边径向开有通透孔B(422)。
6.根据权利要求4所述的顶部驱动固井水泥头，其特征在于：所述的上主体(211)及下主体(410)均为回转体，上主体(211)回转中心设置有一主通道(226)及一个偏心的旁通(225)；下主体(410)设置有一没有贯通的偏心孔；上主体(211)的主通道(226)及旁通(225)分别与下主体(410)相应中心孔和偏心孔中心对齐。
7.根据权利要求4所述的顶部驱动固井水泥头，其特征在于：所述的下主体(410)下段径向设置有指示器(450)。
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