CN106223884A - 气体钻井连续循环装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体钻井连续循环装置，其安装在安装于钻机的钻台面之下，并固定于钻井防喷器组之上，适用于转盘钻机和顶驱钻机，不仅占据钻台面的空间，且接卸单根和立柱的作业效率高；该气体钻井连续循环装置包括自上而下依次设置的钻杆动力钳总成、动力油缸组、支架、旋转控制头和四闸板防喷器；该装置通过各部件之间相互配合能够实现气体钻井接卸单根或立柱过程中保持井筒内的连续循环，避免了因气体循环中断所引起的井下复杂情况发生，减少非钻时间。

Description

气体钻井连续循环装置

技术领域

本发明涉及钻井装备技术领域，特别涉及一种气体钻井连续循环装置。

背景技术

气体钻井技术可以大幅提高机械钻速，缩短钻井周期，降低钻井成本。目前，常规气体钻井作业，接单根、卸单根和接立柱、卸立柱之前，必须停止注气并泄压，待作业完成之后，再重新注气恢复井筒内的循环。在停止注气期间，岩屑下沉，对于直井，则易沉积在钻具周围，造成卡钻；对于大斜度井、水平井，则易沉积在井眼底部形成岩屑床，造成卡钻。同时，地层出水集聚在环空形成连续水柱，重新注气建立井内正常循环之前，必须注气排水，从而引起注气压力过高。若长时间井筒内有水，易引起井壁不稳，造成井下复杂情况和事故。

连续循环钻井技术可以使气体钻井钻柱卸扣、上扣过程中井筒内保持连续循环，避免因井内循环终端所引起的井下复杂情况，减少处理工艺，对于气体钻井在复杂地层的钻井安全起到关键作用。

在现有连续循环装置如已公开专利CN101942977B，其主机安装在钻机的钻台面上，影响在钻台面上的其它作业，同时受顶驱底部至循环装置顶部间的距离限制，只能用于接、卸单根，无法接、卸立柱(立根)，效率较低。完全采用闸板形成密封腔体，上半封闸板密封胶体直接受钻杆旋转磨损，密封件使用寿命低。

发明内容

本发明的目的是提供一种不影响钻台面以上其他钻机配套装置且不受自身顶部至钻台的高度限制，并且在接卸单根或立柱过程中保持井筒内的气体连续循环，避免因循环中断所引起的井下复杂状况发生的气体钻井连续循环装置。

为此，本发明技术方案如下：

一种气体钻井连续循环装置，包括自上而下依次设置的钻杆动力钳总成、动力油缸组、支架、旋转控制头和四闸板防喷器；其中：

所述钻杆动力钳总成包括动力钳和用于所述动力钳的驱动装置；所述动力钳固定在设置于钻杆动力钳总成下方的底板上；

所述支架设置在所述底板下方，并通过四块均布的减震缓冲块与所述底板分隔；所述支架设有一中空腔体；

所述旋转控制头设置并固定在所述支架内腔；所述旋转控制头包括轴承总成、设置在所述轴承总成底端的圆锥体密封胶芯以及包围在所述轴承总成和所述圆锥体密封胶芯外侧的旋转控制头壳体，所述旋转控制头壳体一侧侧壁上设置有与外界连通的上旁通管路；

所述动力油缸组设置并固定在在所述支架内；所述动力油缸组包括沿所述旋转控制头圆周方向均布的多个油缸；

所述四闸板防喷器包括自上而下依次设置的的全封闸板防喷器、背钳、承重闸板和半封闸板防喷器；所述承重闸板与所述半封闸板防喷器之间的侧壁上设置有与外界连通的下旁通管路；

在上旁通管路和下旁通管路上分别设置有上旁通阀和下旁通阀；

在所述钻杆动力钳总成、所述底板、所述旋转控制头和所述四闸板防喷器中心均开设有用于插装钻杆的轴向通孔，且各部件的轴向通孔的中轴线重合；轴向通孔内径与钻杆的外径相适应。

进一步地，所述支架由上支撑板、四根立柱和下支撑板围成一具有内腔的框架结构；所述上支撑板和下支撑板的中心均开设有中心孔。

进一步地，所述动力油缸组包括四个油缸，四个油缸缸体分别沿圆周方向均匀布在所述旋转控制头周围，且顶端固定在所述支架的上支撑板上，四个油缸内的四个活塞杆则穿过在上支撑板上开设的四个位置对应的通孔固定在底板上。

进一步地，所述旋转控制头的旋转控制头壳体下侧包括沿轴向向下延伸至与所述支架地面齐平的竖部和自竖部底端沿径向向两侧延伸的横部；所述支架底面压配并固定在所述横部的上端面上，使所述旋转控制头的所述轴承总成和所述圆锥体密封胶芯固定在所述支架的腔体中心处；所述四闸板防喷器设置在所述支架下方并固定在所述横部的下端面上。

进一步地，四块减震缓冲块固定在所述支架的上端端面上且设置与活塞杆内侧；所述减震缓冲块为橡胶金属复合型减震垫。

进一步地，所述上旁通阀和所述下旁通阀均选用液动阀门。

进一步地，所述旋转控制头为低压旋转控制头。

进一步地，所述四闸板防喷器下方依次连接有钻井三通和井口防喷器组；所述钻井三通和所述井口防喷器组中心通孔与所述四闸板防喷器的轴向通孔内径一致。

与现有技术相比，该气体钻井连续循环装置在气体钻井作业过程中利用本发明的装置使气体钻井接卸单根或立柱过程中保持井筒内的连续循环，避免了因气体循环中断所引起的井下复杂情况发生，减少非钻时间。旋转控制头和全封闸板防喷器组成上密封腔体，接卸扣单根或立柱过程中，旋转控制头的轴承总成可以随钻杆旋转，密封件磨损小；另外，本发明的气体钻井连续循环装置安装于钻机的钻台面之下，装置固定于钻井防喷器组之上，转盘钻机和顶驱钻机均适用，不占据钻台面的空间，可以接卸单根和立柱，作业效率高。

附图说明

图1为本发明的气体钻井连续循环装置的结构示意图；

图2为本发明的气体钻井连续循环装置正常钻进状态下的结构示意图；

图3为本发明的气体钻井连续循环装置开始拆卸时的结构示意图；

图4为本发明的气体钻井连续循环装置开始上扣时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

该气体钻井连续循环装置适用于用于装卸单根或立柱，其安装在钻机的钻台13下部，使钻台面以上的其他钻机配套装置不受影响，同时也不受自身顶部至钻台的高度限制。

如图1所示，该用于装卸单根或立柱的气体钻井连续循环装置，包括钻杆动力钳总成1、动力油缸组4、支架3、旋转控制头5、上旁通阀6、四闸板防喷器7和下旁通阀8；其中：

所述钻杆动力钳总成1包括动力钳101和用于所述动力钳101的驱动装置；所述动力钳101具有卡紧钻杆功能并为钻杆上卸扣提供扭矩；

所述动力钳101固定在其下方设置的底板2上，所述支架3设置在所述底板2下方并通过四块均布的减震缓冲块14分隔；

所述支架3由上支撑板301、四根立柱302和下支撑板303围成一具有内腔的框架结构；所述上支撑板301和下支撑板303的中心均开设有中心孔；

所述旋转控制头5设置于所述支架3内腔；具体地，所述旋转控制头5包括轴承总成501、设置在所述轴承总成501底端的圆锥体密封胶芯502以及包围在所述轴承总成501和所述圆锥体密封胶芯502外侧的旋转控制头壳体503，所述旋转控制头壳体503一侧侧壁上设置有与外界连通的上旁通管路；

所述动力油缸组4设置在所述支架3内；所述动力油缸组4包括四个油缸，四个油缸缸体分别沿圆周方向均匀布在所述旋转控制头5周围，且顶端固定在所述支架3的上支撑板301上，四个油缸内的四个活塞杆则穿过在上支撑板301上开设的四个位置对应的通孔固定在底板2上，用于支撑和带动所述底板2上下移动；

所述旋转控制头5的旋转控制头壳体503下侧包括沿轴向向下延伸至与所述支架3地面齐平的竖部和自竖部底端沿径向向两侧延伸的横部；所述支架3底面压配并固定在所述横部的上端面上，使所述旋转控制头5的所述轴承总成501和所述圆锥体密封胶芯502固定在所述支架3中心位置处；所述四闸板防喷器7设置在所述支架3下方并固定在所述横部的下端面上；

所述四闸板防喷器7包括自上而下依次设置的的全封闸板防喷器701、背钳702、承重闸板703和半封闸板防喷器704；所述承重闸板703与所述半封闸板防喷器704之间的侧壁上设置有与外界连通的下旁通管路；

其中，封闸板防喷器701和半封闸板防喷器704通过控制开闭状态不同形成以下两种状态：(i)当所述半封闸板防喷器704关闭，全封闸板防喷器701开启时，旋转控制头5和半封闸板防喷器704之间形成总密闭腔体；(ii)当半封闸板防喷器704关闭，全封闸板防喷器701关闭时，旋转控制头5和全封闸板防喷器701之间形成上密闭腔体15，此时所述上密封腔体15与所述上旁通接口连通；在全封闸板防喷器701和半封闸板防喷器704之间形成下密闭腔体16，所述下密闭腔体16与所述下旁通接口连通；所述背钳702用于提供钻杆上卸扣反扭矩，上卸扣时背钳直接夹持钻杆母接头外壁上；所述承重闸板703用于承受钻杆重量；

所述上旁通阀6和所述下旁通阀8分别设置在上旁通管路和下旁通管路上，分别控制上旁通连接管路和下旁通连接管路的开闭状态；所述上旁通阀6和所述下旁通阀8均选用液动阀门；

所述钻杆动力钳总成1、所述底板2、所述旋转控制头5和所述四闸板防喷器7中心均设置有用于插装钻杆10的轴向通孔，且各部件的轴向通孔的中轴线重合；轴向通孔内径与钻杆10的外径相适应；

其中，四块减震缓冲块14固定在所述支架3的上端端面上且设置与活塞杆内侧；减震缓冲块14为橡胶金属复合型减震垫；所述旋转控制头选用低压旋转控制头，对气体分流或抑制的同时，所述旋转控制头的轴承总成和胶芯随钻杆旋转，减小密封件磨损。

该气体钻井连续循环装置安装在钻台13下部时，所述四闸板防喷器7的下端面固定连接有钻井三通9且所述四闸板防喷器7的下端面与所述钻井三通9的法兰盘上端面上连接；所述钻井三通9下端固定有井口防喷器组11；所述钻井三通9和所述井口防喷器组11形成有与所述四闸板防喷器7等径中心孔；

所述钻井三通9上端和下端分别与上方的所述四闸板防喷器7和下方的井口防喷器组11形成连通、剩余的第三连通口与管路连接构成第三旁通管路12；这样，该气体钻井连续循环装置形成了两条气体循环通路，分别为：所述钻杆与所述钻井三通上的第三旁通管路12构成气体循环通路一，所述下旁通通道与所述钻杆和所述钻井三通上的第三旁通管路12构成气体循环通路二。

该气体钻井连续循环装置的工作原理如下：

钻杆正常钻进时，该气体钻井连续循环装置的气体循环通路一打开，旁通处于关闭状态，使钻杆10与第三旁通管路12形成循环通道；具体地，钻杆10穿过动力钳总成1、底板102、支架3、旋转控制头5、四闸板防喷器7、钻井三通9和井口防喷器组11，进入井眼；动力钳101、全封闸板防喷器701、背钳8、承重闸板9和半封闸板防喷器11均处于开启状态，上旁通阀6和下旁通阀8处于关闭状态，旋转控制头5的胶芯502与钻杆10外壁之间形成密封，气体从钻杆10上端注入至井底，从钻头返出到井筒环空再经过钻井三通9上的第三旁通管路12流出，实现气体钻井作业循环；在接卸单根或立柱时，动力钳卡紧钻杆并为上卸扣提供转矩，背钳提供钻杆上卸扣的反扭矩，承重闸板703承受钻杆重量，动力油缸组4推动螺杆升降钻杆动力钳总成使钻杆接头精准定位，关闭半封闸板防喷器704和全封闸板防喷器701，在旋转控制头5和全封闸板防喷器701之间形成上密闭腔体，在全封闸板防喷器7和半封闸板防喷器704之间形成下密闭腔体，通过连续循环装置切换气体循环旁路至气体循环通路二，使下旁通管路与钻杆和第三旁通管路12形成循环通道，实现井下气体连续循环，避免由于气体停止循环而造成的井下诸多不利的复杂情况发生，从而在整个钻进期间实现稳定的当量循环密度和不间断地排出钻屑。

以下通过分别对在正常钻进、接单根或立柱的作业实施过程进行进一步的阐述，以利于更清晰的理解本发明的工作原理。

1正常钻进过程：如图2所示，动力钳101、全封闸板701、背钳702、承重闸板703、半封闸板704开启状态，上旁通阀6和下旁通阀8关闭，钻杆10穿过钻杆动力钳总成1、底板2、支架3、旋转控制头5、四闸板防喷器7、钻井三通9和井口防喷器组11，进入井眼中；旋转控制头5的圆锥体密封胶芯502密封钻杆10外壁；气体从钻杆10上部注入，从钻井三通9的第三旁通管路12管道流出，气体循环通路一循环运行，实现气体钻井作业正常钻进。

2钻杆卸扣过程：如图3所示，首先上提钻柱，当钻杆接头出钻台13时，停止上提钻柱，关闭承重闸板703，再下放钻柱，钻杆接头坐于承重闸板703之上，停止下放钻柱；关闭半封闸板704，半封闸板704和旋转控制头5的胶芯502形成总密封腔体；下旁通管路增压至设定套压值时，开启下旁通阀8，继续增压，使总腔体内压力升至设定的立压值，使总密封腔体内压力与钻杆10内压力平衡；关闭背钳702，背钳加紧钻杆接头；关闭动力钳101，动力钳夹紧上部钻杆本体，启动动力钳101卸开钻杆接头，动力油缸组4推动底板2，使上部钻杆公接头升至全封闸板701之上，停止动力油缸组4；关闭全封闸板701，全封闸板701和旋转控制头5的圆锥体密封胶芯502形成上密封腔体，全封闸板701和半封闸板704形成下密封腔体；下密封腔体内，继续从下旁通阀8注入气体，气体从下部钻杆的母接头进入，从钻井三通9的第三旁通管路12返出，气体循环通路二循环运行；开启上旁通阀6泄压，上密封腔和上部钻杆内压力降至大气压力时；开启动力钳101，动力钳101松开上部钻杆，动力油缸组4复位，提出上部钻杆，完成卸扣过程，可以进行下一步上扣作业。

3钻杆上扣过程：如图4所示，气体循环通路二继续续循环运行，首先，钻杆穿过动力钳总成1和支架3的上支撑板301，下放钻杆穿过旋转控制头5的圆锥体密封胶芯502，钻杆公接头位于全封闸板701和旋转控制头5的圆锥体密封胶芯502之间；启动动力油缸组4推动底板2上升，关闭动力钳101，动力钳101夹紧上部钻杆的本体；已关闭的全封闸板701和旋转控制头5的圆锥体密封胶芯502形成上密封腔体，已关闭的全封闸板701和已关闭的半封闸板704形成下密封腔体；关闭上旁通阀6，通过上部钻杆注入气体，使上密封腔体增压；当上密封腔体压力和下密封腔体压力平衡时，开启全封闸板701；启动动力钳101，带动上部钻杆转动，同时动力油缸组4带动钻杆下放，使上下钻杆的接头完成上扣动作；关闭下旁通阀8，气体从钻杆注入井内，从钻井三通9的第三旁通管路12返出，切换气体循环通路一循环运行；停止动力钳101旋转，打开动力钳101，使动力钳101松开上部钻杆本体，动力油缸组4复位；打开背钳702和承重闸板703，背钳702和承重闸板703松开钻杆接头并复位；打开上旁通阀6，使总密封腔体泄压，当总密封腔体内的压力与井口压力平衡时，关闭上旁通阀6，打开半封闸板704，原总密封腔体与井筒环空连通，半封闸板704复位；完成上扣过程，可以进行正常钻进。

其中，上、卸扣过程中钻杆为停钻状态。

Claims (8)

1.一种气体钻井连续循环装置，其特征在于，包括自上而下依次设置的钻杆动力钳总成(1)、动力油缸组(4)、支架(3)、旋转控制头(5)和四闸板防喷器(7)；其中，所述钻杆动力钳总成(1)包括动力钳(101)和用于所述动力钳(101)的驱动装置；所述动力钳(101)固定在设置于钻杆动力钳总成(1)下方的底板(2)上；所述支架(3)设置在所述底板(2)下方，并通过四块均布的减震缓冲块(14)与所述底板(2)分隔；所述支架(3)设有一中空腔体；所述旋转控制头(5)设置并固定在所述支架(3)内腔；所述旋转控制头(5)包括轴承总成(501)、设置在所述轴承总成(501)底端的圆锥体密封胶芯(502)以及包围在所述轴承总成(501)和所述圆锥体密封胶芯(502)外侧的旋转控制头壳体(503)，所述旋转控制头壳体(503)一侧侧壁上设置有与外界连通的上旁通管路；所述动力油缸组(4)设置并固定在在所述支架(3)内；所述动力油缸组(4)包括沿所述旋转控制头(5)圆周方向均布的多个油缸；所述四闸板防喷器(7)包括自上而下依次设置的的全封闸板防喷器(701)、背钳(702)、承重闸板(703)和半封闸板防喷器(704)；所述承重闸板(703)与所述半封闸板防喷器(704)之间的侧壁上设置有与外界连通的下旁通管路；在上旁通管路和下旁通管路上分别设置有上旁通阀(6)和下旁通阀(8)；在所述钻杆动力钳总成(1)、所述底板(2)、所述旋转控制头(5)和所述四闸板防喷器(7)中心均开设有用于插装钻杆(10)的轴向通孔，且各部件的轴向通孔的中轴线重合；轴向通孔内径与钻杆(10)的外径相适应。

2.根据权利要求1所述的气体钻井连续循环装置，其特征在于，所述支架(3)由上支撑板(301)、四根立柱(302)和下支撑板(303)围成一具有内腔的框架结构；所述上支撑板(301)和下支撑板(303)的中心均开设有中心孔。

3.根据权利要求2所述的气体钻井连续循环装置，其特征在于，所述动力油缸组(4)包括四个油缸，四个油缸缸体分别沿圆周方向均匀布在所述旋转控制头(5)周围，且顶端固定在所述支架(3)的上支撑板(301)上，四个油缸内的四个活塞杆则穿过在上支撑板(301)上开设的四个位置对应的通孔固定在底板(2)上。

4.根据权利要求2所述的气体钻井连续循环装置，其特征在于，所述旋转控制头(5)的旋转控制头壳体(503)下侧包括沿轴向向下延伸至与所述支架(3)地面齐平的竖部和自竖部底端沿径向向两侧延伸的横部；所述支架(3)底面压配并固定在所述横部的上端面上，使所述旋转控制头(5)的所述轴承总成(501)和所述圆锥体密封胶芯(502)固定在所述支架(3)的腔体中心处；所述四闸板防喷器(7)设置在所述支架(3)下方并固定在所述横部的下端面上。

5.根据权利要求3所述的气体钻井连续循环装置，其特征在于，四块减震缓冲块(14)固定在所述支架(3)的上端端面上且设置与活塞杆内侧；所述减震缓冲块(14)为橡胶金属复合型减震垫。

6.根据权利要求1所述的气体钻井连续循环装置，其特征在于，所述上旁通阀(6)和所述下旁通阀(8)均选用液动阀门。

7.根据权利要求1所述的气体钻井连续循环装置，其特征在于，所述旋转控制头(5)为低压旋转控制头。

8.根据权利要求1所述的气体钻井连续循环装置，其特征在于，所述四闸板防喷器(7)下方依次连接有钻井三通(9)和井口防喷器组(11)；所述钻井三通(9)和所述井口防喷器组(11)中心通孔与所述四闸板防喷器(7)的轴向通孔内径一致。