CN110905423A - 一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置 - Google Patents

Abstract

一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置，由压差自锁滑套机构、解脱回接机构、瓣阀封堵机构和球阀封堵机构组成。压差自锁滑套机构由压差自锁滑芯组成，机构连接后，泵入流体压井，压差自锁滑芯上下端面产生的压力差，驱动压差自锁滑芯移动来推动球阀阀芯转动，开启内部通道；解脱回接机构采用插扣连接，拉溃插头实现钻柱的解脱及回接；瓣阀封堵机构在钻柱解脱时，实现上部钻柱内流体的封堵；球阀封堵机构解脱时对下部钻柱内流体的封堵。本发明可实现紧急预警时钻柱解脱，自动封堵钻柱内高压流体，保证无隔水管钻井作业安全；同时，紧急预警解除后，可实现钻柱自主导向回接，然后通入流体压井驱动压差自锁滑芯移动来实现内部通道开启。

Description

一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置

技术领域

本发明设计用于深海水下油气开采技术领域，具体涉及一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置。

背景技术

海洋天然气水合物储量巨大，是未来能源开采的重要方向，中国水合物多储藏在南海深水区域的浅层地层内，面对常规深水钻井作业压力窗口狭窄、浅层地质灾害等难题，安全高效的水合物钻探是亟待解决的关键问题，无隔水管钻井技术是实现海洋天然气水合物钻井可行的方案。

然而在无隔水管深水钻井作业过程中，钻柱直接暴露在海水里，在海洋环境中易受到风浪等冲击以及浮动钻井平台运动的作用下发生复杂变形，造成钻柱、管柱的破坏，发生油气的泄露，从而带来海洋环境的污染；再者由于钻井平台或钻井船上拥有大量的设备和工作人员，若在此紧急情况下不能及时的与下部钻柱、管柱解脱撤离，将会带来更大的安全事故，造成严重的经济损失。

现有的钻柱安全控制装置回接时，由于机构回接和内部通道开启同时进行，机构尚未完全连接阀门打开，下部高压流体瞬间释放冲击整个装置或钻井平台，造成更大的经济损失；同时，传统的回接方式是通过剪切销钉回填使上下钻柱连接后正常工作，但是剪切销钉回填可靠性差，存在未填充的情况，使得钻柱受力不均，影响钻井作业；其次，已有的钻柱安全控制装置采用一个封堵机构，解脱后只对钻柱下部分的高压流体进行简单的封堵，没有对上部钻柱内的流体进行封堵；现有的钻柱安全控制装置多采用剪切销钉连接，正常钻进时，剪切销钉要承受较大的扭矩和钻压，所以剪切销钉的抗剪切力好，因此在解脱时需要更大的拉力拉断销钉，导致钻柱安全控制装置解脱不迅速。

发明内容

为了解决上述问题，本发明专利提供了用于海洋钻井的一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置。本发明采用压差自锁滑套机构，在外部机构回接后泵入流体，在压差自锁滑芯上形成的压力差推动压差自锁滑芯移动来开启下部球阀封堵机构，解决传统回接方式下外部机构回接与内部通道开启同时进行所带来的冲击与泄漏；采用插扣式连接来解决传统销钉连接在回接时填充不充分、可靠性差问题；设置两个封堵机构，解决单一封堵机构封堵不充分，存在泄漏的问题；采用插扣式连接的特殊插头可解决传统销钉连接方式下解脱不迅速问题；从而有效的保证钻井工程作业过程中钻柱安全。

本发明专利解决其技术问题所采用以下技术方案是：一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置，主要由装配完成的公体和母体两个模块组成，公体由上接头、与上接头螺纹连接的连接器外壳体、与连接器外壳体螺纹连接的插头、连接器外壳体内的瓣阀封堵机构和压差自锁滑套机构组成，母体由下接头、与下接头焊接的对中筒、与下接头螺纹连接的球阀外壳体，球阀外壳体内的球阀封堵机构及推杆组成，公体与母体通过插头与插孔形成插扣连接；所述的压差自锁滑套机构由自锁滑套上接头、压差自锁滑芯、自锁滑套外壳体、自锁滑套下接头、弹簧II和推力轴承组成，在自锁滑套外壳体内装入弹簧II再放入推力轴承与自锁滑套下接头，压差自锁滑芯从中间穿过弹簧II，再套上自锁滑套上接头，自锁滑套上接头与自锁滑套外壳体螺纹连接，通过压差自锁滑芯上下端面面积差产生压力差推动压差自锁滑芯向下运动，自锁滑套下接头转动实现自锁。

所述的压差自锁滑芯上端外环侧设计有自锁导块、导向斜面，并且上端面大于下端面。

所述的球阀封堵机构由球阀上阀座、球阀驱动滑套、球阀阀芯、弹簧III、球阀下阀座、驱动销钉和球阀外壳体组成，球阀阀芯放在球阀下阀体的阀芯支撑柱上，套上弹簧III，套上球阀驱动滑套并在球阀驱动滑套的偏心孔装上驱动销钉，盖上球阀上阀座，并且整体装入球阀外壳体内。

所述的瓣阀封堵机构由阀瓣、扭弹簧、瓣阀转动销轴、瓣阀阀座、瓣阀驱动滑套、弹簧I和自锁滑套上接头组成，阀瓣通过瓣阀转动销轴安装在瓣阀阀座的缺口上，在瓣阀转动销轴上装入扭弹簧，完成瓣阀的装配，自锁滑套上接头放入连接器外壳体的内管壁凸台上，在自锁滑套上接头内装入瓣阀驱动滑套再套上弹簧I，在自锁滑套上接头顶端放置瓣阀组成瓣阀封堵机构。

所述的回接导向机构由下接头的导向斜面和导向槽与插头的插头导向块组成，下放公体时插头导向块沿下接头的导向斜面进入导向槽完成最后的连接。

所述的连接器外壳体设有上部内螺纹、内管壁凸台和下部内螺纹。

所述的球阀外壳体设有限位凸台I，推杆导向槽，限位凸台II，下部外螺纹。

所述的球阀下阀座设有两个阀芯支撑柱、下阀座接触球面和超程缓冲槽。

所述的球阀上阀座设有周向四个导向缺口、内部通道和上阀座接触球面。

所述的自锁滑套上接头设有自锁滑套限位凸台、导向缺口、壳体连接外螺纹、自锁导向槽、解锁斜面和锁定斜面。

所述的插头设有插头连接外螺纹、周向三块插头导向块和插条柱。

所述的下接头设有导向斜面、周向三条导向槽、下接头上部内螺纹、下接头中部台阶、高强度插孔和下接头下部内螺纹。

所述的上接头设有锥螺纹连接面I、锥螺纹连接面II和内部通道。

本发明的有益效果是：（1）解决传统回接方式下机构回接和内部通道开启同时进行下部钻柱内高压流体所带来的冲击与泄漏；（2）实现了解脱后，上下钻柱内高压流体的封堵；（3）解决在传统销钉连接方式下剪切销钉抗剪切力强解脱不迅速问题；（4）解决解决传统销钉连接在回接时填充不充分、可靠性差问题。

附图说明

图1为本发明外观正视图；

图2为本发明外观斜侧图；

图3为本发明回接前后状态示意图；

图4为本发明上接头示意图；

图5为本发明瓣阀阀瓣旋转前后三维对比图；

图6为本发明瓣阀驱动滑套四分之一剖视示意图；

图7为本发明压差自锁滑套前后状态示意图；

图8为本发明自锁滑套上接头斜侧图与四分之一剖视示意图；

图9为本发明压差自锁滑芯四分之一剖视示意图与斜侧图；

图10为本发明自锁滑套下接头斜侧图；

图11为本发明自锁滑套外壳体四分之一剖视示意图。

图12为本发明球阀封堵机构装配示意图；

图13为本发明球阀关闭和开启状态示意图；

图14为本发明球阀阀芯和驱动销钉装配示意图；

图15为本发明球阀上阀座结构示意图；

图16为本发明球阀下阀座结构示意图；

图17为本发明球阀外壳体四分之一剖视示意图；

图18为本发明连接器外壳体四分之一剖视示意图；

图19为本发明插头结构示意图；

图20为本发明下接头结构示意图；

图21为本发明推杆结构示意图；

图中，1-上接头，101-锥螺纹连接面I，102-锥螺纹连接面II, 103-内部通孔，2-阀瓣，3-扭弹簧，4-瓣阀转动销轴，5-瓣阀阀座，6-弹簧Ⅰ，7-瓣阀驱动滑套，8-对中筒，9-自锁滑套上接头，901-自锁滑套限位凸台，902-导向缺口，903-壳体连接外螺纹，904-自锁导向槽，905-解锁斜面，906-锁定斜面，10-连接器外壳体，1001-上部内螺纹，1002-内管壁凸台，1003-下部内螺纹，11-压差自锁滑芯，1101-自锁导块，1102-导向斜面，12-自锁滑套外壳体，1201-连接内螺纹，1202-承载凸台，13-自锁滑套下接头，1301-锁止斜面，1302-锁止导向柱，1303-轴承槽，14-推力轴承，15-弹簧II，16-推杆，1601-下限位台阶，17-球阀外壳体，1701-限位凸台I，1702-推杆导向槽，1703-限位凸台II，1704-下部外螺纹，18-插头，1801-插头连接外螺纹，1802-插头导向块，1803-插条柱，19-球阀上阀座，1901-上阀座缺口，1902-内部通孔，1903-上阀座接触球面，20-球阀驱动滑套，21-球阀阀芯，22-弹簧III，23-球阀下阀座，2301-阀芯支撑柱，2302-下阀座接触球面，2303-超程缓冲槽，24-下接头，2401-导向斜面，2402-导向槽，2403-下接头上部内螺纹，2404-下接头中部台阶，2405-高强度插孔，2406-下接头下部内螺纹，25-驱动销钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下描述：

如图1~21所示，一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置，它包括上接头1、阀瓣2、扭弹簧3、瓣阀转动销轴4、瓣阀阀座5、弹簧Ⅰ6、瓣阀驱动滑套7、对中筒8、自锁滑套上接头9、连接器外壳体10、压差自锁滑芯11、自锁滑套外壳体12、自锁滑套下接头13、推力轴承14、弹簧II 15、推杆16、球阀外壳体17、插头18、球阀上阀座19、球阀驱动滑套20、球阀阀芯21、弹簧III 22、球阀下阀座23、下接头24、驱动销钉25；上接头1和连接器外壳体10通过螺纹连接，连接器外壳体10内装入压差自锁滑套机构和瓣阀封堵机构，连接器外壳体10与插头18螺纹连接，完成公体部分，球阀封堵机构通过球阀外壳体17与下接头24螺纹连接，对中筒8焊接在下接头24上，完成母体部分。

本发明的工作过程如下：

正常工作及其紧急解脱时，将装置通过上接头1、下接头24与钻柱螺纹连接，当钻柱传递的扭矩不超过插头18上导向块1802的被压溃力大小时，装置正常工作，装置内瓣阀封堵机构、压差自锁滑套机构和球阀封堵机构初始状态为开启状态，压差自锁滑套机构处于锁紧状态，瓣阀驱动滑套7穿过瓣阀阀座5的通孔，钻井液可以从内部的通道通过，瓣阀驱动滑套7与球阀外壳体17接触，压缩弹簧I 6，使其处于压缩状态，压差自锁滑芯11在内部流体的作用下上端面的压力大于下端面，压差自锁滑芯11向下移动且处于自锁状态，弹簧II 15也处于压缩状态，压差自锁滑芯11下移时，通过推杆16推动球阀驱动滑套20压缩弹簧III 22使其处于压缩状态；当遇到紧急海况时，上提公体，上提拉力大于插头18被拉断或端面拉溃所需要的拉力，使得插条柱1803断裂或者插头限位端面变形，此时公体与母体分离，完成钻柱的解脱；与此同时，瓣阀驱动滑套7与球阀外壳体17分离使得弹簧I 6和弹簧II 15逐渐被释放，弹簧I 6推动瓣阀驱动滑套7向下移动并从瓣阀阀座5的通孔中拔出，然后瓣阀封堵机构的阀瓣2在扭弹簧3的复位下转动，完成上部钻柱内流体的封堵，由于压差自锁滑芯11与推杆16分离，弹簧III 22被释放，推动球阀驱动滑套20上移，使球阀阀芯21转动完成下部高压流体的封堵。

回接工作时，在钻井平台上组装完成公体，包括上接头1、连接器外壳体10、瓣阀封堵机构、压差自锁滑套机构和插头18，在连接器外壳体10的内管壁凸台1002上放置压差自锁滑套机构和瓣阀封堵机构，再螺纹连接上接头1，连接器外壳体10的下部内螺纹1003处连接插头18，压差自锁滑套机构：在自锁滑套外壳体12内装入弹簧II 15再放入推力轴承14与自锁滑套下接头13，压差自锁滑芯11从中间穿过弹簧II 15再套上自锁滑套上接头9，并与自锁滑套外壳体12螺纹连接；母体，包括下接头24、球阀封堵机构和对中筒8，球阀阀芯21放在球阀下阀体23的阀芯支撑柱2301上，套上弹簧III 22，套上球阀驱动滑套20并在球阀驱动滑套20的偏心孔穿上驱动销钉25，盖上球阀上阀座19整体装入球阀外壳体17内，球阀外壳体17与下接头24通过螺纹连接，对中筒8焊接在下接头24上；回接时，下放公体，在与母体接触开始时，瓣阀驱动滑套7被母体上的球阀外壳体17限制下移逐渐压缩弹簧I 6并且插入瓣阀阀座5的内部通孔中，完成瓣阀的开启。外部连接完成后，通入钻井液，由于压差自锁滑芯11的上端面的面积大于下端面，因此上部压力大于下部压力，压差自锁滑芯11向下移动压缩弹簧II 15，同时通过推杆16推动球阀驱动滑套20下移压缩弹簧III 22，球阀驱动滑套20上安装的驱动销钉25推动球阀阀芯21转动完成下部通道的开启，压差自锁滑芯11下移时，推动自锁滑套下接头13下移，当自锁滑套下接头13的锁止导向柱1302滑出自锁滑套上接头9的自锁导向槽904时，在压差自锁滑芯11的导向斜面1102的导向下转动进入自锁滑套上接头9的锁定斜面905，完成自锁。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本专利进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置，主要由装配完成的公体和母体两个模块组成，公体由上接头（1）、与上接头（1）螺纹连接的连接器外壳体（10）、与连接器外壳体（10）螺纹连接的插头（18）、连接器外壳体内（10）的瓣阀封堵机构和压差自锁滑套机构组成，母体由下接头（24）、与下接头（24）焊接的对中筒（8）、与下接头（24）螺纹连接的球阀外壳体（17），球阀外壳体（17）内的球阀封堵机构及推杆（16）组成，公体与母体插扣连接，其特征在于：所述的压差自锁滑套机构由自锁滑套上接头（9）、压差自锁滑芯（11）、自锁滑套外壳体（12）、自锁滑套下接头（13）、弹簧II（15）和推力轴承（14）组成，在自锁滑套外壳体（12）内装入弹簧II（15）再放入推力轴承（14）与自锁滑套下接头（13），压差自锁滑芯（11）从中间穿过弹簧II（15）套上自锁滑套上接头（9）与自锁滑套外壳体（12）螺纹连接；所述的球阀封堵机构由球阀上阀座（19）、球阀驱动滑套（20）、球阀阀芯（21）、弹簧III（22）、球阀下阀座（23）、驱动销钉（25）和球阀外壳体（17）组成，球阀阀芯（21）放在球阀下阀体（23）的阀芯支撑柱上，套上弹簧III（22），再套上球阀驱动滑套（20）并在球阀驱动滑套（20）的偏心孔装上驱动销钉（25），盖上球阀上阀座（19）整体装入球阀外壳体（17）内；所述的瓣阀封堵机构由阀瓣（2）、扭弹簧（3）、瓣阀转动销轴（4）、瓣阀阀座（5）、瓣阀驱动滑套（7）、弹簧I（6）和自锁滑套上接头（9）组成，阀瓣（2）通过瓣阀转动销轴（4）安装在瓣阀阀座（5）的缺口上，在瓣阀转动销轴（4）上装入扭弹簧（3），完成瓣阀的装配，自锁滑套上接头（9）放在连接器外壳体（10）的内管壁凸台（1002）上，在自锁滑套上接头（9）内装入瓣阀驱动滑套（7）套上弹簧I（6），最后在自锁滑套上接头（9）顶端放置瓣阀组成瓣阀封堵机构。

2.根据权利要求1所述的一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置，其特征在于：所述的回接导向机构由下接头（24）的导向斜面（2401）和导向槽（2402）与插头（18）的插头导向块（1802）组成，下放公体时插头导向块（1802）沿下接头（24）的导向斜面（2401）进入导向槽（2402）完成最后的连接。

3.根据权利要求1所述的一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置，其特征在于：所述的压差自锁滑芯（11）上端外环侧设计有自锁导块（1101）、导向斜面（1102），并且上端面面积大于下端面。

4.根据权利要求1所述的一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置，其特征在于：所述的球阀外壳体（17）设有限位凸台I（1701），推杆导向槽（1702），限位凸台II（1703），下部外螺纹（1704）。

5.根据权利要求1所述的一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置，其特征在于：所述的连接器外壳体（10）设有上部内螺纹（1001）、内管壁凸台（1002）和下部内螺纹（1003）。

6.根据权利要求1所述的一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置，其特征在于：所述的球阀下阀座（23）设有两个阀芯支撑柱（2301）、下阀座接触球面（2302）和超程缓冲槽（2303）。

7.根据权利要求1所述的一种无隔水管双梯度钻井钻柱安全控制装置，其特征在于：所述的自锁滑套上接头（9）设有自锁滑套限位凸台（901）、导向缺口（902）、壳体连接外螺纹（903）、自锁导向槽（904）、解锁斜面（905）和锁定斜面（906）。

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