CN105156050A - 石油天然气钻井冲管总成 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲管总成，包括：动环；静环；连接到动环的下由壬；上由壬；和弹性浮动装置，所述静环通过该弹性浮动装置连接到所述上由壬。弹性浮动装置包括：浮动构件，所述浮动构件连接到所述静环；固定构件，所述固定构件连接到所述上由壬并且引导所述浮动构件；和弹性构件，所述弹性构件安装在所述浮动构件与所述固定构件之间，使得浮动构件能够相对于固定构件轴向地往复运动。所述冲管总成还包括冲管，所述冲管通过波形卡簧悬挂地安装在所述上由壬和所述弹性浮动装置的固定构件内。

Description

石油天然气钻井冲管总成

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井高压泥浆通道中的动密封装置，具体是一种石油钻井水龙头或顶驱中应用的冲管总成。

背景技术

冲管装置是石油天然气钻井水龙头或顶驱的重要部件之一，用于连接鹅颈管和相对于鹅颈管旋转的中心管，将钻井泵输出的高压泥浆输送至井下钻头。一种安装方便快捷、维护时间少、密封更换方便快捷、工作压力高、工作寿命长的冲管装置是保证石油天然气钻井作业工作效率和作业安全的重要因素。

现有的冲管装置有两类，分别是传统的冲管盘根装置和机械密封冲管装置。传统的冲管盘根装置由于采用锤击由壬方式、装置重量大、作业高度高、安装空间小等原因，存在安装和密封更换困难、维护时间长，而且寿命也较短等问题；现有的机械密封冲管装置由于对鹅颈管和中心管间的机械界面要求非常高、安装调试较为复杂、更换密封前需要高压水枪清洗密封界面，存在安装调试过程和密封更换耗时较长等问题。

CN2837498Y公开了一种冲管总成，其中在动环上设置了弹簧座，并通过销子使弹簧座与动环一起旋转。这种结构的问题在于，销子即在槽中滑动以调整动环的轴向位置，同时还向动环提供旋转驱动力，旋转驱动力将导致销严重地挤压槽壁，从而导致动环无法顺利地相对于弹簧座轴向移动。

因此，目前需要一种能够克服上述技术问题的冲管装置。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中冲管装置存在的至少一部分缺点和不足，提供一种使静环相对于动环具有较好跟随性的冲管总成，并且该目的是通过提供一种新型的冲管总成实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种冲管总成，包括：动环；静环；连接到动环的下由壬；上由壬；和弹性浮动装置，所述静环通过该弹性浮动装置连接到所述上由壬。弹性浮动装置包括：浮动构件，所述浮动构件连接到所述静环；固定构件，所述固定构件连接到所述上由壬并且引导所述浮动构件；和弹性构件，所述弹性构件安装在所述浮动构件与所述固定构件之间，使得浮动构件能够相对于固定构件轴向地往复运动。冲管总成还包括冲管，所述冲管通过波形卡簧悬挂地安装在所述上由壬和所述弹性浮动装置的固定构件内。

根据一个示例性实施例，所述浮动构件包括浮动环和安装到浮动环的外周面的下法兰，所述静环安装到所述浮动环，所述下法兰支撑所述弹性构件的第一端；并且所述固定构件包括引导部和上法兰，所述引导部被配置成用于引导所述浮动环的运动，所述上法兰支撑所述弹性构件的与第一端相对的第二端。

根据另一个示例性实施例，所述引导部和所述浮动环中的一个包括引导槽，所述引导部和所述浮动环中的另一个包括引导突起，所述引导突起能够在所述引导槽中轴向地滑动。

根据另一个示例性实施例，所述弹性构件包括弹簧和设置在弹簧内部的柱状引导构件，柱状引导构件的一端固定到所述下法兰和上法兰中的一个，所述柱状引导构件的另一端被配置成能够相对于所述下法兰和上法兰中的另一个轴向地运动。

根据另一个示例性实施例，所述冲管的外周面通过密封件分别密封接合所述上由壬的内周面和所述浮动环的内周面。

根据另一个示例性实施例，所述上法兰的内周面上端形成定位台阶，所述波形卡簧的下端抵接到所述定位台阶，并且所述波形卡簧的上端抵接所述上由壬的下端。

根据另一个示例性实施例，所述引导突起的顶部与所述引导槽的底部之间存在第一预定间隙；和/或所述浮动环的外周面与所述下法兰的内周面之间存在第二预定间隙；和/或所述柱状引导构件与形成在所述下法兰和上法兰中的所述另一个中的引导部之间存在第三预定间隙。

根据另一个示例性实施例，所述静环和动环中的任一者包括位于径向内侧的陶瓷环和结合到所述陶瓷环的径向外周面的金属环。

根据另一个示例性实施例，所述静环的金属环和所述动环的金属环分别以不可旋转的方式连接到所述弹性浮动装置和所述下由壬。

根据另一个示例性实施例，所述静环的陶瓷环和所述动环的陶瓷环上均设有环形密封槽，并且相应的O形密封圈分别安装在所述环形密封槽中提供静环与浮动环之间的密封以及动环与下由壬之间的密封。

通过采用本发明提供的冲管总成，能够获得以下有益的技术效果：

一、通过悬挂地安装的冲管、冲管和上由壬间的弹性密封和预设的间隙、冲管和浮动环间的弹性密封和预设间隙、浮动环和上法兰间的预设间隙、下法兰和浮动环之间的预设间隙等，提供了浮动环较大的轴向移动及轴线附近摆动的自由度，最终保证了更好的静环相对于动环的跟随性；

二、通过O形圈槽设置在陶瓷环上能够更好地保证O形圈密封性能，并且更加方便维护。

根据本发明的冲管总成，能够承受52.5MPa的泥浆压力、能够适用于顶驱和水龙头设备的安装界面、安装调试方便快捷、密封更换方便快捷、维护时间少、工作寿命长、可靠性高，从而提高石油天然气钻井作业的安全和效率。

附图说明

现在将通过举例的方式结合附图对本发明的优选实施例进行描述，其中：

图1是根据本发明的实施例的冲管总成的透视示意图；

图2是图1所示的冲管总成的剖视示意图。

在上述附图中，相同的附图标记用于指示相同或相似的部件。

附图标记列表：

1-上由壬2-固定构件3-浮动环

4-下法兰5-静环6-动环

7-下由壬8-开口销9-丝杠

10-六角螺母11-平垫12-弹簧

13-六角螺栓14-弹垫15-冲管

16-波形卡簧17-销18-卡簧

19-销20-O形圈密封21-O形圈密封

22-密封件23-密封件24-O形圈密封

具体实施方式

接下来将结合附图对本发明的冲管总成做出详细地说明。

如图1和图2所述，根据本发明的示例性实施例的冲管总成包括：动环；静环；连接到动环的下由壬；上由壬；和弹性浮动装置，所述静环通过该弹性浮动装置连接到所述上由壬，其中，所述弹性浮动装置包括：浮动构件，所述浮动构件连接到所述静环；固定构件，所述固定构件连接到所述上由壬并且引导所述浮动构件；和弹性构件，所述弹性构件安装在所述浮动构件与所述固定构件之间，使得浮动构件能够相对于固定构件轴向地往复运动。

具体地，浮动构件包括浮动环3和固定到浮动环3外周的下法兰4，静环5固定到浮动环3，并且下法兰4支撑所述弹性构件9、12的第一端。固定构件2包括引导部和上法兰。如图2所示，固定构件2的上法兰固定到弹簧12和柱状引导部件9的上端。从上法兰的下端设置筒状的引导部，该引导部可与上法兰形成一体的构造。从图2中可以看出，引导部的内侧设有引导槽，用于与安装在浮动环3上端的凸出的销17配合，使得销17能够在固定构件2的引导部的引导槽中沿图中的垂直方向(上-下方向，或冲管总成的轴向方向)滑动。在一个可替换的实施例中，销17也可以是形成在浮动环上端的突出部。

在图1和2所示的示例性实施例中，弹性浮动装置的弹性构件包括弹簧12和设置在弹簧12内部的柱状引导构件9，柱状引导构件9的一端固定到所述下法兰和上法兰中的一个(图中所示为上法兰)，所述柱状引导构件9的另一端以能够相对滑动的方式连接到所述下法兰和上法兰中的另一个(图中所示为下法兰4)。通过这种方式，柱状引导构件9能够在弹簧12伸长或压缩的过程中引导和基本保持弹簧12的位置，并且下法兰和上法兰可相对于彼此轴向地往复运动。需要说明的是，在未示出的实施例中，也可以构造成柱状引导构件9的上端相对于固定构件2的上法兰可相对滑动，而下端相对于下法兰4固定。相应的适应性改造对于本领域技术人员而言是显而易见的。

具体地并且示例性地，销17、卡簧18、下法兰4、和销19分别安装在浮动环3上，其中，卡簧18与浮动环3外周的台阶部配合，用于固定下法兰4在轴向上的位置。固定构件2的上法兰的内壁加工有竖直方向的矩形槽，用于安装柱状引导构件9，并且所述柱状引导构件例如可以是丝杠。销17插入固定构件2的上法兰的竖直方向的槽内，并且在柱状引导构件9上装上弹簧12后穿过下法兰4中开设的螺栓孔，并分别装上平垫14、六角螺母10和开口销8。销17用来防止浮动环3和上由壬1之间的相对转动，但允许浮动环3相对上由壬1之间的轴向浮动。六角螺母10用于安装时预压紧弹簧12，开口销8安装在柱状引导构件9的端部以用于防止六角螺母10和平垫11松动掉落。通过上述方式，可完成弹性浮动装置的组装。

在本发明的示例性实施例中，如图2所示，冲管总成还包括冲管15，冲管15密封地安装到所述上由壬7和/或所述弹性浮动装置的固定构件2，并且弹性浮动装置的浮动环3密封地接合到所述冲管的外周表面。

具体而言，密封件22安装在浮动环3内周的密封槽内，密封件23安装在上由壬1内周的密封槽内，通过冲管15形成上由壬1与浮动环3之间的密封。在冲管15的外周面上形成环形凹槽，波形卡簧16安装在该环形凹槽中，并且在上法兰的内周面上形成环形台阶部，从而可以使波形卡簧16的下端抵接所述环形台阶部。上由壬1可随后套在冲管15外围，并且上由壬1的下端抵接波形卡簧16的上端。通过这种方式，冲管15通过波形卡簧16悬挂地安装在上由壬1和固定构件2之间。固定构件2和上由壬1之间例如可在固定构件2的上法兰处用六角螺栓13和弹垫14连接起来，如图1所示。

上文所述的“悬挂地安装”指的是，通过波形卡簧16，冲管15可以在安装位置上略微地轴向浮动。此外，由于冲管15的上端和下端分别通过通常具有一定柔性或弹性的密封件23和22密封地接合上由壬1和浮动环3，因此，冲管15也可以在一定程度上以其轴线为中心、以波形卡簧16为支点进行摆动。

此外，还可以进一步作出如下一个或多个设定或配置：

一、增大上由壬1的内周面与冲管15的外周面之间的间隙；

二、增大浮动环3的内周面与冲管15的外周面之间的间隙；

三、在下法兰4的内周面与浮动环3的外周面之间提供适当的间隙；

四、在柱状引导构件9与下法兰4的螺栓孔之间提供适当的间隙；

五、在浮动环3上的销17或突出部的顶端与固定构件2的引导部的槽的底部之间提供适当的间隙。

通过采用上述一种或几种构造的组合，能够使冲管15具有更大的摆动幅度。同时，由于冲管15具有在其轴向中线附近摆动的自由度，因此浮动环3连同静环5均可以在轴线附近摆动。从而，当与下由壬7连接的中心管因震动等原因出现偏离轴线方向的运动或摆动时，下由壬7与动环6也将出现相应的摆动，此时，由于静环5同样能够自由地摆动，因此，静环5依然能够与动环6保持对中并维持二者之间的密封完整性。

根据本发明的示例性实施例，静环5和动环6中的任一者都包括位于径向内侧的陶瓷环和结合到所述陶瓷环的径向外周面的金属环。如图1和2所示，静环5的陶瓷环和所述动环6的陶瓷环配置成二者在弹性浮动装置的作用下相互抵接。静环5的金属环和所述动环6的金属环分别连接到所述弹性浮动装置(浮动环3)和下由壬7。

具体而言，静环5和动环6均由内部的陶瓷环和外部镶装的金属环构成，在陶瓷环上加工有环形凹槽，在金属上加工有防转通孔。O形圈密封21分别安装在静环5和动环6的陶瓷环上的环形凹槽中，浮动环3和静环5的陶瓷环之间有安装定位台阶，O形圈密封21实现浮动环3与静环5之间的密封，销19销入静环5的金属环部分中形成的通孔内，用于防止静环5与浮动环3之间的相对转动。下由壬7上同样装有销19，动环6的陶瓷环与下由壬7之间有安装定位台阶，O形圈密封21用于实现动环6和下由壬7之间的密封，另一个销19销入动环6的金属环的通孔内，用于防止动环6和下由壬7之间的相对转动。通过将用于O形圈密封21的环形凹槽设置在静环5和动环6的陶瓷环上，能够降低加工难度；同时，由于环形凹槽设置在静环5和动环6的陶瓷环上，因此，在例如动环和/或静环磨损因而需要更换的情况下，可以在更换时直接获得具有干净的密封用环形凹槽，从而能够免除对于环形凹槽的清理工作，减少维护时间，提高工作效率。

下面将结合附图1和2详细地介绍本发明的冲管总成在使用过程中的工作原理。

将本发明的冲管总成安装在顶驱或水龙头设备上，上由壬1可例如通过丝扣与鹅颈管的下端接头连接，O形圈24安装在上由壬1上的密封槽内，用于实现上由壬和鹅颈管之间的密封。通过O形圈24、密封件23、密封件22、冲管15、固定构件2、浮动环3、波形卡簧16、六角螺栓13和弹垫14，实现了鹅颈管下由壬至浮动环3之间的对高压泥浆的密封，保证了浮动环3和鹅颈管之间不相对转动。通过销17、固定构件2中的滑动引导槽，柱状引导构件9、弹簧12、下法兰4、卡簧18等构件以及这些构件之间的上述设计，提供了浮动环3的轴向浮动和在轴线附近摆动的自由度。下由壬7通过丝扣与中心管的上端连接，O形圈20安装在下由壬7上的密封槽内来完成下由壬7和中心管之间的密封，O形圈20保证了下由壬7和中心管之间的对高压泥浆的密封；六角螺母10完全松开，弹簧12上的预压力通过下法兰4将浮动环3、静环5、动环6、下由壬7依次贴合；浮动环3和下由壬7上分别安装有销19，销19分别销入静环5和动环6的通孔，防止静环5和浮动环3之间相对转动，防止动环6和下由壬7之间相对转动；上由壬1和下由壬7上的丝扣均为反扣，确保中心管工作转动时不会松开。

在本发明的冲管总成工作时，静环5不旋转，动环6随中心管转动，静环5和动环6之间的端面贴合并可相对旋转。即使顶驱或水龙头在钻井作业中存在中心管的轴向跳动或在轴线附近摆动等现象，以及中心管和鹅颈管存在同心度及同轴度的制造和装配偏差的情况下，也能够通过本发明的冲管总成的弹性浮动装置、冲管的悬挂设计及防转设计提供静环5相应的轴向移动和轴线附近摆动的自由度，来保证静环5相对于动环6的较好的跟随性。通过适当的调节弹簧12的预压缩力，能够在静环5与动环6之间提供适当的抵接压力，从而提供较好的密封。

在本发明的冲管总成工作时，六角螺母10被松开或拧下，使得弹簧12具有足够的伸缩的空间。在本申请的冲管总成需要维护、更换部件或密封时，泥浆泵停止，中心管停止旋转。此时，可拆除开口销8，使用扳手上紧六角螺母10，并不断地旋拧六角螺母10使之向上运动。这样，通过平垫11、下法兰4、卡簧18等构件能够压缩弹簧12、提升浮动环3，直至浮动环3上的销19离开静环5上的通孔；抽出静环5、再取出动环6，清理下由壬7和浮动环3的安装界面；装入新的动环6和O形圈21使得销19插入动环6上的销孔，装入新的静环5和O形圈21，使用扳手松开六角螺母10，使浮动环3上的销19销入静环5的销孔，重新装上开口销8，防止六角螺母10和平垫11的掉落。由此可见，本发明装置在更换动环和静环时，使用工具简单；由于静环5与浮动环3之间、动环6与下由壬7之间密封圈的凹槽设置在陶瓷环上，因此在更换静环和动环6，可直接提供清洁干净的用于密封圈的凹槽，从而免除了对于凹槽的清洗操作，密封更换方便快捷。

本发明的优点和积极效果是：通过合理的结构设计和新材料技术，克服了传统冲管总成存在的安装和密封更换困难、维护时间长，而且寿命也较短等问题，解决了现有的机械密封冲管总成对鹅颈管和中心管间的机械界面要求非常高、安装调试较为复杂、更换密封前需要高压水枪清洗密封界面，存在安装过程和密封更换耗时较长等问题，能够承受52.5MPa的泥浆压力、能够适用于顶驱和水龙头设备的安装界面、安装方便快捷、密封更换方便快捷、维护时间少、工作寿命长、可靠性高，从而提高石油天然气钻井作业的安全和效率。

至此，已经结合本发明的附图对本发明的优选实施例进行了详细的说明，然而本领域的技术人员将认识到：在不背离本公开的精神和实质的情况下，可以对其进行进一步的修改和改变，并且所有这些变化和改变都应当落入本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围由所附权利要求的保护范围确定。

Claims (10)

1.一种冲管总成，包括：

动环；

静环；

连接到动环的下由壬；

上由壬；和

弹性浮动装置，所述静环通过该弹性浮动装置连接到所述上由壬，所述弹性浮动装置包括：

浮动构件，所述浮动构件连接到所述静环；

固定构件，所述固定构件连接到所述上由壬并且引导所述浮动构件；和

弹性构件，所述弹性构件安装在所述浮动构件与所述固定构件之间，使得浮动构件能够相对于固定构件轴向地往复运动，

其特征在于，所述冲管总成还包括冲管，其中所述冲管通过波形卡簧悬挂地安装在所述上由壬和所述弹性浮动装置的固定构件内。

2.根据权利要求1所述的冲管总成，其中所述浮动构件包括浮动环和安装到浮动环的外周面的下法兰，所述静环安装到所述浮动环，所述下法兰支撑所述弹性构件的第一端；并且所述固定构件包括引导部和上法兰，所述引导部被配置成用于引导所述浮动环的运动，所述上法兰支撑所述弹性构件的与第一端相对的第二端。

3.根据权利要求2所述的冲管总成，其中所述引导部和所述浮动环中的一个包括引导槽，所述引导部和所述浮动环中的另一个包括引导突起，所述引导突起能够在所述引导槽中轴向地滑动。

4.根据权利要求3所述的冲管总成，其中所述弹性构件包括弹簧和设置在弹簧内部的柱状引导构件，柱状引导构件的一端固定到所述下法兰和上法兰中的一个，所述柱状引导构件的另一端被配置成能够相对于所述下法兰和上法兰中的另一个轴向地运动。

5.根据权利要求4所述的冲管总成，其中所述冲管的外周面通过密封件分别密封接合所述上由壬的内周面和所述浮动环的内周面。

6.根据权利要求4所述的冲管总成，其中所述上法兰的内周面上端形成定位台阶，所述波形卡簧的下端抵接到所述定位台阶，并且所述波形卡簧的上端抵接所述上由壬的下端。

7.根据权利要求4所述的冲管总成，其中：

所述引导突起的顶部与所述引导槽的底部之间存在第一预定间隙；和/或

所述浮动环的外周面与所述下法兰的内周面之间存在第二预定间隙；和/或

所述柱状引导构件与形成在所述下法兰和上法兰中的所述另一个中的引导部之间存在第三预定间隙。

8.根据权利要求1所述的冲管总成，其中所述静环和动环中的任一者包括位于径向内侧的陶瓷环和结合到所述陶瓷环的径向外周面的金属环。

9.根据权利要求8所述的冲管总成，其中所述静环的金属环和所述动环的金属环分别以不可旋转的方式连接到所述弹性浮动装置和所述下由壬。

10.根据权利要求9所述的冲管总成，其中所述静环的陶瓷环和所述动环的陶瓷环上均设有环形密封槽，并且相应的O形密封圈分别安装在所述环形密封槽中提供静环与浮动环之间的密封以及动环与下由壬之间的密封。