CN107191144B - 一种海底换钻头装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海底换钻头装置，该装置包括：水平推拉系统、升举油缸系统、夹持系统、隔离油缸系统、动力钳系统和密封壳体，其特征为：密封壳体的下表面与海底井口装置螺栓连接；密封壳体内部的左侧底面螺栓连接有水平推拉系统，水平推拉系统上侧螺栓连接有升举油缸系统，升举油缸系统上侧销轴连接有夹持系统；密封壳体内部右侧螺栓连接有动力钳系统，隔离油缸系统位于壳体中心。更换旧钻头时，由动力钳系统对钻头进行松开或紧扣，由夹持系统使钻头与钻杆进行分离或连接。与现有技术相比，本发明可在海底井口处对旧钻头进行更换作业，进而缩短钻头的起钻时间和钻头下钻时间，从而缩短钻井周期、减轻劳动强度，并降低海洋油气钻井综合成本。

Description

一种海底换钻头装置

技术领域

本发明涉及石油天然气钻井装备技术领域，特别涉及一种海底换钻头装置。

背景技术

随着陆地油气资源的短缺，世界沿海国家陆续对海洋油气资源进行了勘探与开采，且对海洋油气资源的勘探与开采已逐步成为国内外油气工业发展的主要趋势。此外，随着我国经济持续高速增长，油气资源供应不足将成为阻碍经济发展的主要矛盾，为提高油气资源的占有量，海洋油气的勘探和开采已经成为我国实现能源可持续发展的战略重点。

海洋油气的开采发展至今，钻井开采仍为油、气开采主要方式。一口井从开钻到完井，需进行以下三项主要工作：破碎井底岩石、将破碎的岩石(即岩屑)运移至海洋平台、完成固井，而钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的关键破岩工具。在现有技术中，当钻头被地层磨损，或钻头遇到硬地层、研磨性地层、页岩层等复杂地层时，需将井底旧钻头起钻至海洋平台以更换新钻头；起钻时，需使用液压大钳将钻杆单根一一卸扣拆下，从而使钻头提升至海洋平台，并在海洋平台上对被磨损的旧钻头进行更换，或更换与复杂地层不相匹配的旧钻头。当旧钻头更换完成后，需进行下钻作业，下钻时，需使用液压大钳将钻杆单根一一上扣形成钻柱，从而使新钻头下入井底。当新钻头下入井底后，重新开泵进行钻井作业，进而实现提高钻井速度、降低钻井综合成本的目的。

然而更换钻头带来的起钻、下钻作业时间长，增加了钻井周期和提高了劳动强度，大大增加了钻井成本。

发明内容

为了克服现有更换钻头装备的上述缺点，本发明的目的在于提供一种海底换钻头装置，该装置可在海底井口装置处对旧钻头进行更换作业，进而缩短钻头的起钻时间和钻头下钻时间。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种海底换钻头装置，由水平推拉系统1、升举油缸系统2、夹持系统3、隔离油缸系统4、动力钳系统5和密封壳体6构成，其特征为：密封壳体6的下表面与海底井口装置螺栓连接；密封壳体6内部的左侧底面螺栓连接有水平推拉系统1，水平推拉系统1上侧螺栓连接有举升油缸系统3，升举油缸系统2上侧销轴连接有夹持系统3；密封壳体6内部右侧螺栓连接有动力钳系统5，隔离油缸系统4位于密封壳体6中心；

所述升举油缸系统2包括举升油缸、上安装板31，支撑环32，下安装板33；升举油缸系统2的下安装板33下侧安装于水平推拉系统1的滑轨11上，下安装板33的上侧与支撑环32的下侧接触并用螺栓连接；支撑环32的上表面设置有圆弧形凹槽，凹槽内安装有滚珠，滚珠与上安装板31接触；上安装板31与举升油缸的下端面接触并用螺栓连接；举升油缸的活塞杆24通过销轴与夹持系统3连接；

所述夹持系统3包括安装壳体21、缸体22、活塞23、活塞杆24、活塞端盖25、圆形缸筒28、内圆环29和外圆环30；安装壳体21呈圆筒状，安装壳体21的下端面设计有方形双耳环，销轴穿过方形双耳环并与举升油缸的单耳环形成销轴连接，安装壳体21的上端表面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与缸体22的下端面形成螺栓连接；

缸体22呈一端封闭的圆环状，缸体22封闭端的下表面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与安装壳体21形成螺栓紧固连接；缸体22的内圆环29与外圆环30之间由圆形缸筒28连接，圆形缸筒28的左右两侧设计有连通出油口26；缸筒的内圆环29内侧设计有凸台，凸台内设计有密封沟槽，内圆环29的上端表面设计有密封沟槽，密封沟槽外侧设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与油缸盖板形成螺栓紧固连接；缸筒的外圆环30外侧设计有削边平面27，削边平面27周向设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与活塞端盖25形成螺栓紧固连接，外圆环30的上端面设计有密封沟槽，密封沟槽外侧设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与油缸盖板形成螺栓紧固连接；

缸体22的圆形缸筒28内配合安装有活塞23，活塞23端面设计有通孔，螺栓穿过通孔并与活塞杆24形成紧螺栓紧固连接；活塞杆24与夹持块螺纹连接；

缸体22的削边平面27与活塞端盖25螺栓连接，活塞端盖25呈长方体状，长方体的中心设计有进油口，进油口的周向设计有通孔，螺栓穿过通孔并与缸体22形成螺栓紧固连接。

与现有技术比较，本发明的有益效果是：该装置可在海底进口装置处对旧钻头进行更换作业，可缩短钻头的起钻时间和钻头下钻时间，进而降低海洋石油天然气资源开采的综合成本。

附图说明

图1为升举油缸系统和夹持系统的三维示意图。

图2为升举油缸系统和夹持系统的三维剖示图。

图3为升举油缸系统下端的零部件平面示意图。

图4为升举油缸系统下端的零部件三维示意图。

图5为水平推拉系统的滑轨和滚珠丝杠示意图。

图6为夹持系统示意图。

图7为安装壳体示意图。

图8为缸体示意图。

图9为缸体三维剖示意。

图10为活塞和活塞杆的三维示意图。

图11为活塞端盖示意图。

图12为本发明各系统处于初始状态时的示意图。

图13为动力钳松扣时的示意图。

图14为夹持系统使钻头和钻杆分离时的示意图。

图15为夹持系统移运旧钻头至钻头更换位置时的示意图。

图16为夹持系统拆卸下新钻头时的示意图。

图17为夹持系统夹持新钻头至钻杆处，并使钻头与钻杆初始连接时的示意图。

1.水平推拉系统，2.夹持系统，3.升举油缸系统，4.隔离油缸系统，5.动力钳系统，6.密封壳体；11.滑轨，12.滚珠丝杆；21.安装壳体，22.缸体，23.活塞，24.活塞杆，25.活塞端盖，26.连通出油口，27. 削边平面，28. 圆形缸筒，29. 内圆环，30.外圆环；31.上安装板，32.支撑环，33.下安装板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细叙述。

参照图1~图2，以及图12~图17，一种海底换钻头装置，由水平推拉系统1、升举油缸系统2、夹持系统3、隔离油缸系统4、动力钳系统5和密封壳体6构成。密封壳体6的下表面与海底井口装置螺栓连接；密封壳体6内部的左侧底面螺栓连接有水平推拉系统1，水平推拉系统1上侧螺栓连接有升举油缸系统2，升举油缸系统2上侧采用销轴连接有夹持系统3；密封壳体6内部右侧螺栓连接有动力钳系统5，隔离油缸系统4位于壳体中心。

海底换钻头装置的工作原理为：参照图12，旧钻头正常钻井时，隔离油缸系统4的活塞杆处于升长的状态，使隔水管与井口装置连通，从而防止钻井时的循环泥沙进入密封壳体6左右两侧。参照图13，当需要更换旧钻头时，需将钻头提升至海底井口装置处，关闭泥浆泵，且使隔离油缸系统4的活塞杆收回，并将旧钻头提升至动力钳的高度处，然后启动动力钳处的电机，使滚珠丝杠旋转，进而使动力钳系统5伸出至旧钻头处；最后启动动力钳，使动力钳夹紧旧钻头进行松扣作业。参照图14，当钻头卸扣作业即将完成时就停止卸扣，并启动动力钳处的电机使滚珠丝杠旋转，进而使动力钳系统5收回至原始位置；然后启动水平推拉系统1处的电机使滚珠丝杠旋转，进而使升举油缸系统2和夹持系统3运动至旧钻头处；最后使升举油缸系统2的活塞杆升出至旧钻头处，并使夹持系统3夹紧旧钻头进行旋转作业，从而使旧钻头彻底与钻杆分离。参照图15，当旧钻头与钻杆分离后，使升举油缸系统2的活塞杆收回，并启动水平推拉系统1处的电机，使滚珠丝杠旋转，进而使升举油缸系统2和夹持系统3回退至原始位置；当升举油缸系统2回退至原始位置后，升举油缸系统2的活塞杆升出，并使夹持系统3旋转，从而使旧钻头安装于钻头悬挂架上。参照图16，当旧钻头安装于悬挂架后，启动并水平推拉系统1处的电机，使滚珠丝杠旋转，进而使升举油缸系统2和夹持系统3运动至新钻头处；当升举油缸系统2运动至新钻头处后，夹持系统3的活塞杆24伸出并夹紧新钻头，然后启动升举油缸系统处3处的电机，使夹持系统3旋转，进而使新钻头与悬挂架分离。参照图17，当新钻头与悬挂架分离后，使升举油缸系统2的活塞杆收回，并启动并水平推拉系统1处的电机，使滚珠丝杠旋转，进而使升举油缸系统2和夹持系统3运动至钻杆处；当新钻头运动至钻杆处后，使升举油缸系统2的活塞杆伸出，并使升举油缸系统2出的电机旋转，进而使新钻头与钻杆连接，实现初步上扣；当新钻头与钻杆初步上扣完成后，使升举油缸系统2和夹持系统3回退至原始位置；最后使动力钳运动至新钻头处，再启动动力钳对新钻头进行紧扣作业。动力钳紧扣作业完成后回退至初始位置，被使隔离油缸系统4的活塞杆伸出，从新建立隔水管与井口流动通道。

参照图1~图5，升举油缸系统2的下端安装于水平推拉系统1的滑轨11上，升举油缸系统2的上端与夹持系统3销轴连接。

参照图1~图5，升举油缸系统2包括举升油缸、上安装板31，支撑环32，下安装板33。升举油缸系统2的下安装板33下侧安装于水平推拉系统1的滑轨11上，下安装板33的上侧与支撑环32接触并用螺栓连接；支撑环32的上表面设置有圆弧形凹槽，凹槽内安装有滚珠，滚珠与上安装板31接触，滚珠用于减小上安装板31与支撑环32之间的摩擦阻力；下安装板33上表面中心处通过螺栓紧固连接有电机，电机的传动轴与上支撑板形成花键连接，电机用于使上支撑板旋转，进而使夹持系统3旋转。

参照图3~图4，上支安装板33中心处设计有花键槽，花键槽外侧设计有螺纹孔。花键槽用于与电机的花键轴连接，螺纹孔用于将举升油缸固定于上支撑板的上端面。

参照图6和图7，夹持系统3包括安装壳体21、缸体22、活塞23、活塞杆24、活塞端盖25、圆形缸筒28、内圆环29和外圆环30。安装壳体21呈圆筒状，安装壳体21的下端面设计有方形双耳环，销轴穿过方形双耳环并与举升油缸的单耳环形成销轴连接；安装壳体21的上端表面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与缸体22的下端面形成螺栓连接。

参照图8~图9，缸体22呈一端封闭的圆环状，缸体22封闭端的下表面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与安装壳体21形成螺栓紧固连接。缸体22的内圆环29与外圆环30之间由圆形缸筒28连接，圆形缸筒28的左右两侧设计有削连通出油口26，连通油口用于使圆形缸筒28的出油腔相互连通。圆形缸筒28的内圆环29内侧设计有凸台，凸台内设计有密封沟槽，密封沟槽内安装有活塞杆24用密封圈，密封圈用于防止液压油从活塞杆24处泄露。内圆环29的上端表面设计有密封沟槽，密封沟槽内安装有密封圈，密封圈用于防止液压油从上端的油缸盖板处泄露。内圆环29的密封沟槽外侧设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与油缸盖板形成螺栓紧固连接。缸筒的外圆环30外侧设计有削边平面27，设计的削边平面27便于安装活塞端盖25；削边平面27沿周向设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与活塞端盖25形成螺栓紧固连接。外圆环30的上端面设计有密封沟槽，密封沟槽内安装有密封圈，密封圈用于防止液压油从上端的油缸盖板处泄露。外圆环30的密封沟槽外侧设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与油缸盖板形成螺栓紧固连接。

参照图9~图10，缸体22的圆形缸筒28内配合安装有活塞23，活塞23端面设计有通孔，螺栓穿过通孔并与活塞杆24形成紧螺栓紧固连接。活塞杆24与夹持块采用螺纹方式连接。

参照图6、图9和图11，缸体22的削边平面27与活塞端盖25螺栓连接，活塞端盖25呈长方体状，长方体的中心设计有进油口，进油口的周向设计有通孔，螺栓穿过通孔并与缸体22形成螺栓紧固连接。

Claims (1)

1.一种海底换钻头装置，由水平推拉系统（1）、升举油缸系统（2）、夹持系统（3）、隔离油缸系统（4）、动力钳系统（5）和密封壳体（6）构成，其特征为：密封壳体（6）的下表面与海底井口装置螺栓连接；密封壳体（6）内部的左侧底面螺栓连接有水平推拉系统（1），水平推拉系统（1）上侧螺栓连接有升举油缸系统（2），升举油缸系统（2）上侧销轴连接有夹持系统（3）；密封壳体（6）内部右侧螺栓连接有动力钳系统（5），隔离油缸系统（4）位于密封壳体（6）中心；

所述升举油缸系统（2）包括举升油缸、上安装板（31），支撑环（32），下安装板（33）；升举油缸系统（2）的下安装板（33）下侧安装于水平推拉系统（1）的滑轨（11）上，下安装板（33）的上侧与支撑环（32）的下侧接触并用螺栓连接；支撑环（32）的上表面设置有圆弧形凹槽，凹槽内安装有滚珠，滚珠与上安装板（31）接触；上安装板（31）与举升油缸的下端面接触并用螺栓连接；举升油缸的活塞杆通过销轴与夹持系统（3）连接；

所述夹持系统（3）包括安装壳体（21）、缸体（22）、活塞（23）、活塞杆（24）、活塞端盖（25）、圆形缸筒（28）、内圆环（29）和外圆环（30）；安装壳体（21）呈圆筒状，安装壳体（21）的下端面设计有方形双耳环，销轴穿过方形双耳环并与举升油缸的单耳环形成销轴连接，安装壳体（21）的上端表面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与缸体（22）的下端面形成螺栓连接；

缸体（22）呈一端封闭的圆环状，缸体（22）封闭端的下表面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与安装壳体（21）形成螺栓紧固连接；缸体（22）的内圆环（29）与外圆环（30）之间由圆形缸筒（28）连接，圆形缸筒（28）的左右两侧设计有连通出油口（26）；缸筒的内圆环（29）内侧设计有凸台，凸台内设计有密封沟槽，内圆环（29）的上端表面设计有密封沟槽，密封沟槽外侧设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与油缸盖板形成螺栓紧固连接；缸筒的外圆环（30）外侧设计有削边平面（27），削边平面（27）周向设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与活塞端盖（25）形成螺栓紧固连接，外圆环（30）的上端面设计有密封沟槽，密封沟槽外侧设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔并与油缸盖板形成螺栓紧固连接；

缸体（22）的圆形缸筒（28）内配合安装有活塞（23），活塞（23）端面设计有通孔，螺栓穿过通孔并与活塞杆（24）形成紧螺栓紧固连接；活塞杆（24）与夹持块螺纹连接；

缸体（22）的削边平面（27）与活塞端盖（25）螺栓连接，活塞端盖（25）呈长方体状，长方体的中心设计有进油口，进油口的周向设计有通孔，螺栓穿过通孔并与缸体（22）形成螺栓紧固连接。