CN111206876B - 顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统 - Google Patents

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Abstract

顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统,以顶部驱动反循环钻井装置为核心,顶部驱动反循环钻井装置具有多工质配流套、分体式鹅颈管及负压冲管等主要功能部件。将顶部驱动反循环钻井装置安装在钻机主体上,围绕顶部驱动反循环钻井装置布置管路,建立地面空压机、增压器和水泵等流体动力设备与顶部驱动反循环钻井装置之间的流体循环系统,作业时可同时输入气相和液相介质并排出岩屑。为确保全井反循环流场的形成,在分体式鹅颈管及排渣立管顶部折弯处设置有旋流喷射式引射器。地面装备系统具有气体反循环流场参数的监控功能。本发明可实现进气增压,多工质混合进气、负压抽吸排气、射流能量输入、延长易损件寿命、环形进气通道自动防喷等功能。

Description

顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统
技术领域
本发明涉及深井钻探技术领域,特别是涉及一种顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统。
背景技术
气体钻井技术是指以高压气体或液体混合物作为动力和冲洗介质进行钻进的钻探技术,早在1908~1909年,美国已在石油天然气钻井工程中进行了气体钻井实验。气体钻井技术分为正循环和反循环两类钻探工艺方法,不同的钻探工艺所采用的地面装备和井下钻具均有较大的差别。
复杂地层条件下的深井钻探施工经常遇到漏失严重、易卡钻、井壁坍塌等困难,气体反循环钻井技术则具有在对井壁扰动小、裂隙发育的漏失性地层井漏少、能耗低的优势。传统的气体反循环钻井技术通常以压缩空气为动力,采用双壁钻杆、空气锤和反循环钻头组成钻具系统,较多地应用于地质矿产资源勘探孔、水文水井以及基础工程桩孔的钻探作业。近年来,随着气体反循环钻井技术的优点逐步被行业所认识并开始推广运用,该技术的应用领域得到了拓展,目前已在地热井、油气井以及非常规能源如页岩气井、煤层气井等钻探工程中实际应用,针对气体反循环钻井技术的研究也逐步深入。
气举反循环钻进是以泥浆作为循环介质实施反循环钻井的工艺方法,通常应用于大直径钻孔工程,采用双壁钻具在特定井深向中心流道注入压缩空气,从而在井内形成低密度区域,加速反循环流动过程是较为先进的气举反循环钻井技术。如:气举反循环钻进装置详见专利文献号CN208981989U公开了一种采用气举反循环工艺方法的钻井装置,采用双壁钻具、以泥浆作为钻井液进行反循环钻井。在适当井深位置设置有气举反循环钻井用气液混合器详见专利文献号CN207701098U所提出的气举反循环钻井用气液混合器,通过注气孔向钻具中心通道注气,注气后芯管内获得气液混合低密度流体,提高了钻井液和岩屑的排出能力。一种气体反循环钻井方法专利文献号CN110029938A公开了一种采用顶驱进行气体反循环钻井的方法,提出以钻井泵组、顶驱和顶驱适配器组成地面装备,所提及的气体反循环钻井方法实际上是基于泥浆循环体系在适当井深注入压缩空气,实施气举反循环钻井,故其所提出的顶驱适配器的功能相当于单一通道的旋转接头,用于向井下中心通道内的泥浆中注气。
一种用于油气钻井的全井段自吸式反循环气体钻井系统专利文献号CN105178859B提出了用于油气钻井的全井反循环气体钻井系统,即以空气作为单一循环介质进行气体反循环钻井的工艺方法和系统配置,包括注气单元、管路系统,并在全井段采用双壁钻杆进行反循环钻进。采用单一工作介质的气体反循环钻井技术应用门槛较低,其地面装备系统配置较为简单,处理复杂问题的功能也很有限。此外,所提及的“自吸”特指反循环破岩工具对井底有一定的抽吸作用,对于深井反循环气体钻井系统而言,该局部抽吸环节对全井反循环流场所起的作用甚微,当中心通道阻力加大,高于外环空间围压时,将无法在井底形成反循环流场,于是引起严重的漏失,导致蹩钻和埋钻的风险大。
三壁钻杆的钻进系统专利文献号US3807514和泥浆护壁空气潜孔锤钻具及钻井工艺专利文献号CN102966304提出了采用压缩空气与泥浆配合进行气体反循环钻井的工艺方法,上述两项专利均提出了一种同轴式三通道钻具结构,其中内层钻杆设有中心通道用于泥浆携带岩屑上返排渣,内层钻杆与中间层钻杆之间构成第二个通道用于供气,中间层钻杆与外层钻杆之间构成第三个通道用于排气,钻井过程中三通道钻具与孔壁之间形成了第四个通道,用于灌注泥浆。于是可在应用空气钻井的同时使用泥浆护壁,对复杂地层适应性增强,钻井安全性得以提高。泥浆护壁空气潜孔锤钻具及钻井工艺专利文献CN102966304提出了在钻具系统中增加了中空式多通道潜孔锤,以便在硬岩地层获得较高的钻进效率。上述两项专利提出了采用多种工质进行气体反循环钻井的方案,但钻具结构十分复杂,二者均未描述对地面装备的要求,事实上常规的反循环系统配置是无法满足上述复杂工艺的施工要求,所提方案具体实施的难度大、成本高。
一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统专利文献号CN208220665U和一种用于大尺寸井眼硬岩钻井的多循环流道钻井系统及钻井工艺专利文献号CN108412435A公开的钻井系统包括井下空气锤地面管汇与设备、气举管汇与设备、钻井驱动装置、多循环流道钻具和泥浆循环设备,井下空气锤地面管汇与设备和气举管汇与设备均通过钻井驱动装置与多循环流道钻具对应连通,泥浆循环设备通过耐冲蚀鹅颈管和排砂管线与钻井驱动装置连接。该专利所提及的钻井工艺方法本质上与泥浆护壁空气潜孔锤钻具及钻井工艺专利文献CN102966304相类似,其针对深井硬岩大直径成孔作业提出了相对完整的系统配置,使得气举反循环排砂和闭式反循环空气锤相结合的技术优势显得突出,但其所提出的有利于减少设备投入、减小场地占用面积、降低对动力和钻井液的需求量、节省燃油消耗等目标很难实现。
综合上述,目前深井气体反循环钻探技术的主要工艺方法可分为如下三类:
①双壁钻具混气泥浆气举反循环;
②多通道钻具泥浆反循并环气体封闭循环;
③气体介质全井反循环。
由于采用泥浆排渣和护壁的气举反循环钻进技术在漏失地层并不适用,因此深井钻进的最佳方案是采用气体介质进行全井反循环钻进。
该方法目前面临的困难主要体现在如下三个方面:
①深井钻进双壁钻具中心通道沿程阻力大,不易形成可靠稳定的反循环流场,在漏失地层无法形成反循环;
②地面装备和井下工具的专业性配置不够完善,无法实现必要的流场调控功能;
③双壁钻具外壁与井壁之间无工作介质注入,地层不稳定时不易护壁。
为解决气体介质全井反循环所面临的技术难题,主要的技术手段是进行全井反循环流场的调控,提高系统防卡钻及孔壁不稳定情况下的复杂情况处理能力。为实现上述功能,均需对地面装备和井下工具以及多相介质的循环流动等方面进行创新研究。
发明内容
为解决气体介质全井反循环所面临的技术难题,本发明的目的是提出了一种基于多相流体介质实施全井反循环钻井工艺方法设计的顶部驱动反循环钻井装置,以及相关的多工质流体循环部件配置,所构成的顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统,其特征在于,包括:钻机主体、顶驱导轨、顶部驱动反循环钻井装置、管路系统、流体动力系统及监控系统,
所述钻机主体包括钻机底座、钻机井架、二层台、天车及游车,在钻机底座的钻台面上布置有司钻房、左偏房和右偏房,司钻房内设置有操作面板和主控电控柜;右偏房内设置有电测系统控制柜;在钻机底座的平台下方且沿顶部驱动反循环钻井装置主轴回转轴线所在位置同轴布置有防喷器;钻机井架安装在钻机底座上;二层台、天车及游车均安装在钻机井架上,天车位于钻机井架的顶部;
所述顶驱导轨的上部采用销轴悬挂在天车的底部,顶驱导轨的下段采用反扭矩梁安装在钻机井架上;
所述顶部驱动反循环钻井装置采用滚轮滑车与顶驱导轨滑动配合,顶部驱动反循环钻井装置通过提升吊臂上方的万向节与游车采用销轴连接,钻机的主提升钢绳绕过游车与天车间的滑轮组形成绳系,在钻机的主提升绞车驱动下,游车完成提升与下放顶部驱动反循环钻井装置动作;顶部驱动反循环钻井装置上配备有多工质配流套、分体式鹅颈管、负压冲管、顶驱旋转头、回转驱动装置、顶驱遥控防喷器、顶驱主传动箱、顶驱手动防喷器、顶驱背钳、顶驱随动电控箱、绝对值编码器、顶驱供水管及顶驱进气管,顶驱主传动箱用于驱动顶部驱动反循环钻井装置的主轴回转,顶部驱动反循环钻井装置的主轴中心通道用于排渣;顶驱背钳安装在顶驱背钳架上;多工质配流套安装在顶部驱动反循环钻井装置的主轴下方,多工质配流套采用石油钻杆接头螺纹与顶驱手动防喷器相联接,多工质配流套的外部通过防回转拉杆和销轴联接在顶部驱动反循环钻井装置的顶驱背钳架上,多工质配流套上的对外连接孔道采用密封管螺纹接头连接顶驱供水管及顶驱进气管,多工质配流套用于输入压缩空气、高压水以及在顶部驱动反循环钻井装置的主轴下方形成旋流引射;顶驱背钳架采用销轴安装在顶驱旋转头上;顶驱旋转头上法兰与回转驱动装置输出法兰之间采用高强度螺栓组连接;绝对值编码器用于测量和限制回转驱动装置输出法兰的转动角度;负压冲管安装在顶部驱动反循环钻井装置的主轴上方,同时负压冲管与顶驱遥控防喷器连接;分体式鹅颈管采用螺栓组连接在负压冲管上;
其中,多工质配流套包括壳体、上接头、深沟球轴承、单列圆锥滚子轴承、下接头、环式逆止阀、压缩弹簧、配气芯轴、上锥套、下芯管及旋转格莱圈,壳体采用防回转拉杆和销轴连接在顶部驱动反循环钻井装置的顶驱背钳架上,壳体上加工有进气孔c、雾化孔d、引射孔e及阻尼孔f,进气孔c、雾化孔d及引射孔e中心位于同一直线上,且进气孔c、雾化孔d和引射孔e均为沿壳体径向贯穿的螺纹孔,阻尼孔f为沿壳体径向布置的贯穿孔;上接头的上端采用石油钻杆接头螺纹与顶驱手动防喷器相连接,上接头的下端与下接头采用矮牙艾克姆梯形螺纹连接;配气芯轴的上部具有圆锥形外表面,该圆锥型外表面与上锥套的圆锥型内孔相配合,配气芯轴下部外圆柱段依次加工有进气环槽u、注水环槽v以及引射环槽w,配气芯轴上的密封档肩将各槽分隔开来,在壳体内孔对应配气芯轴各密封档肩的配合段均布置有旋转格莱圈;配气芯轴的下部具有圆柱型内孔,该圆柱型内孔与下芯管上部的外圆柱相配合;上锥套与下芯管上均具有限位挡肩,分别与上接头及下接头的内部台肩相接触;在上接头上对应进气孔c、雾化孔d及引射孔e的位置加工有导流槽g,进气孔c通过导流槽g接通进气环槽u;雾化孔d通过导流槽g接通注水环槽v,引射孔e通过导流槽g接通引射环槽w;环式逆止阀用于关断双壁钻具环形进气通道,在初始状态下,环式逆止阀在压缩弹簧的作用下贴紧上接头下端锥面,将进气环槽u与下接头和下芯管之间形成的环形进气通道相阻隔;封隔进气环槽u与注水环槽v的密封档肩的环形截面上沿轴向加工有喷射孔h;引射环槽w连通位于配气芯轴上部的螺旋喷射槽k,螺旋喷射槽k为右旋;壳体上的阻尼孔分上下两组,各组沿轴线均布,位于下方的阻尼孔f布置在单列圆锥滚子轴承和进气孔c之间,位于上方的阻尼孔f布置在深沟球轴承和引射孔e之间,在壳体内孔孔壁上与阻尼孔f对应位置加工有卸压环槽,阻尼孔f钻透壳体后与卸压环槽相通,同时在卸压环槽两侧均布置有旋转格莱圈;下接头与双壁管具采用右旋或左旋石油钻杆接头螺纹连接;下芯管的下端与双壁管具的内管相插接;
其中,分体式鹅颈管包括弯管体、法兰接头体、法兰套筒、安装法兰及排渣锥套,弯管体的前端与安装法兰插接配合,采用螺栓组贯穿弯管体的前端与安装法兰并将二者固定在冲管座套上法兰上,弯管体的后端通过螺栓与法兰接头体及法兰套筒同轴连接;法兰套筒沿径向加工有注水口m,注水口m为管螺纹通孔;法兰接头体后段具有圆锥形的外表面,在圆锥形外表面上加工有多头螺旋槽n,法兰接头体的圆锥形外表面和排渣锥套的内部圆锥孔相配合,法兰接头体、法兰套筒和排渣锥套共同组成出口引射器;
其中,负压冲管包括冲管、下由壬、组合式旋转密封圈、密封圈、冲管座套及上由壬,冲管安装在冲管座套内部,冲管的下端通过下由壬与顶部驱动反循环钻井装置主轴的旋转部件外螺纹段相连接,冲管的上端通过上由壬与安装法兰的外螺纹段相连接,下由壬与上由壬的连接螺纹均为左旋,冲管的工作段具有光滑的外圆柱面,冲管的上部采用密封圈构成静密封结构,冲管的下段采用组合式旋转密封圈构成动密封结构,静密封结构中冲管固定段采用过盈配合,动密封结构中冲管的工作段与刚性零件之间采用间隙配合;
所述管路系统包括排渣立管、注水管路、进气管路、排渣管线、排渣引射器、水平排渣管及旋流器,排渣立管布置在钻机井架的右侧外部,排渣立管的内部孔道平直,排渣立管的上方采用法兰与排渣引射器出口处法兰管件相连接,排渣立管的下端与水平排渣管平滑过渡连接;水平排渣管的出口处设置有旋流器;注水管路和进气管路预埋在钻机井架内,注水管路与顶驱供水管连通,进气管路与顶驱进气管连通;顶驱进气管后段设置有进气单向阀,而后接通多工质配流套的进气孔c;顶驱供水管通过多通接头形成分支管路接通分流器,分流器分别与多工质配流套的雾化孔d和引射孔e,以及分体式鹅颈管的注水口m连接;排渣引射器采用安装法兰固定在钻机井架上,排渣引射器的进口与排渣管线联接;排渣管线远离排渣引射器的一端连接在分体式鹅颈管的排渣锥套上;
所述流体动力系统包括空压机、增压器及水泵,空压机采用并联进气管汇与增压器连接,增压器出口通过地面高压管汇与进气管路连接;水泵通过地面高压管汇接通注水管路;
所述监控系统包括第一压力传感器、第一流量传感器、第二压力传感器、第二流量传感器、顶驱随动电控箱、电测系统控制柜以及司钻房中主控电控柜,在水泵的进出口处、空压机的出口处、增压器的进出口处及排渣引射器的进水口处各设置有一个第一压力传感器和一个第一流量传感器,各个第一压力传感器和第一流量传感器同时与电测系统控制柜的控制器通信连接;在分流器的出口处、进气单向阀的出口处及分体式鹅颈管的注水口m处各设置有一个第二压力传感器和一个第二流量传感器,各个第二压力传感器和第二流量传感器同时与顶驱随动电控箱的控制器通信连接;顶驱随动电控箱、电测系统控制柜以及司钻房中主控电控柜之间采用网线连接。
进一步,所述上接头和下接头旋合后,在下接头上部外圆柱段安装有增扭锁紧套。
进一步,所述弯管体具有两个局部外加厚段。
进一步,所述安装法兰上设置有用于支撑弯管体后段的U型座板。
进一步,所述排渣管线与排渣引射器的连接处下方设置有支承过轮。
进一步,所述增压器具有旁通管路。
进一步,在冲管座套上设置有注脂结构。
通过上述设计方案,本发明可以带来如下有益效果:本发明基于气液多相介质的全井反循环钻井工艺方法,对顶部驱动反循环钻井装置进行改进,并以该顶部驱动反循环钻井装置为核心部件,合理配置多工质流体循环的动力部件和管路系统,形成顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统。利用该地面装备系统可实现进气增压,多工质混合进气、负压抽吸排气、射流能量输入、延长易损件寿命、环形进气通道自动防喷等功能。本发明所提出的地面装备系统进一步与气体反循环钻具联合作业,可有效解决深井气体反循环钻井目前面临的技术瓶颈问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解,构成本申请的一部分,本发明示意性实施例及其说明用于理解本发明,并不构成本发明的不当限定,在附图中:
图1为顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统的总体配置示意图;
图2为顶部驱动反循环钻井装置反循环功能结构示意图;
图3为顶部驱动反循环钻井装置管路联接示意图;
图4为多工质配流套的结构示意图;
图5为分体式鹅颈管的结构示意图;
图6为负压冲管的结构示意图;
图7为本发明实施例中所述采用动力水龙头配置气体反循环装置的实施例示意图。
图中各标记如下:1-钻机底座;2-钻机井架;3-司钻房;4-顶驱导轨;5-顶部驱动反循环钻井装置;6-二层台;7-多工质配流套;8-分体式鹅颈管;9-负压冲管;10-防喷器;11-天车;12-游车;13-电测系统控制柜;14-支承过轮;15-排渣立管;16-注水管路;17-进气管路;18-排渣管线;19-排渣引射器;20-水平排渣管;21-防回转拉杆;22-空压机;23-增压器;24-并联进气管汇;25-水泵;26-旋流器;27-顶驱旋转头;28-回转驱动装置;29-顶驱遥控防喷器;30-万向节;31-顶驱主传动箱;32-顶驱手动防喷器;33-顶驱背钳;34-滚轮滑车;35-顶驱随动电控箱;36-绝对值编码器;37-分流器;38-进气单向阀;39-多通接头;40-顶驱供水管;41-顶驱进气管;50-动力水龙头;51-水龙头提升臂;701-壳体;702-上接头;703-深沟球轴承;704-单列圆锥滚子轴承;705-下接头;706-环式逆止阀;707-压缩弹簧;708-配气芯轴;709-上锥套;710-下芯管;711-旋转格莱圈;801-弯管体;802-法兰接头体;803-法兰套筒;804-安装法兰;805-排渣锥套;806-U型座板;901-冲管;902-下由壬;903-组合式旋转密封圈;904-密封圈;905-冲管座套;906-上由壬。
具体实施方式
为将本发明的技术方案、系统配置和优越性描述得更加清晰,以下对本发明的具体实施方式进行介绍。所描述的实施例仅是本发明的一部分可行方案,基于本发明的实施例,本领域研究人员所采取的相关方式及相似运用,在基本借鉴本发明所述创新思想的前提下,亦属于本发明所保护的范畴。
如图1、图2、图3、图4、图5及图6,本发明所提及的顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统为一种用于复杂地层深井钻探作业的顶部驱动反循环钻井装置,以及必要的流体循环动力部件及管路配置,从而构成满足深井气体反循环钻进工艺要求的地面装备系统,该系统包括钻机主体、顶驱导轨4、顶部驱动反循环钻井装置5、管路系统、流体动力系统及监控系统,
所述钻机主体包括钻机底座1、钻机井架2、二层台6、天车11及游车12,钻机底座1和钻机井架2构成主要承载结构,在钻机底座1的钻台面上布置有司钻房3、左偏房和右偏房,司钻房3内设置有操作面板和主控电控柜;右偏房内设置有电测系统控制柜13;在钻机底座1的平台下方且沿顶部驱动反循环钻井装置5主轴回转轴线所在位置同轴布置有防喷器10;钻机井架2安装在钻机底座1上;二层台6、天车11及游车12均安装在钻机井架2上,天车11位于钻机井架2的顶部;
所述顶驱导轨4的上部采用销轴悬挂在天车11的底部,顶驱导轨4的下段采用反扭矩梁安装在钻机井架2上,用于将顶部驱动反循环钻井装置5在提升与下放过程中所承受的钩载,以及驱动钻具旋转所产生的反扭矩作用于钻机主体,顶驱导轨4仅承受扭矩而不承受钩载;
所述顶部驱动反循环钻井装置5由司钻房3中的司钻进行操控,顶部驱动反循环钻井装置5采用滚轮滑车34与顶驱导轨4滑动配合,顶部驱动反循环钻井装置5通过提升吊臂上方的万向节30与游车12采用销轴连接,钻机的主提升钢绳绕过游车12与天车11间的滑轮组形成绳系,在钻机的主提升绞车驱动下,游车12完成提升与下放顶部驱动反循环钻井装置5动作,钻机井架2和顶驱导轨4提供了足够的空间,使顶部驱动反循环钻井装置5具有32米以上的有效行程,在游车12的牵引下可提升和下放完整的双壁钻具立根长度;顶部驱动反循环钻井装置5上配备有多工质配流套7、分体式鹅颈管8、负压冲管9、顶驱旋转头27、回转驱动装置28、顶驱遥控防喷器29、顶驱主传动箱31、顶驱手动防喷器32、顶驱背钳33、顶驱随动电控箱35、绝对值编码器36、顶驱供水管40及顶驱进气管41,顶驱主传动箱31用于驱动顶部驱动反循环钻井装置5的主轴回转,顶部驱动反循环钻井装置5的主轴中心通道用于排渣;顶驱背钳3安装在顶驱背钳架上;
多工质配流套7安装在顶部驱动反循环钻井装置5的主轴下方,采用石油钻杆接头螺纹与顶驱手动防喷器32相连接,多工质配流套7的外部通过防回转拉杆21和销轴联接在顶部驱动反循环钻井装置5的顶驱背钳架上,多工质配流套7上的对外连接孔道采用密封管螺纹接头连接顶驱供水管40及顶驱进气管41,多工质配流套7用于输入压缩空气、高压水以及在顶部驱动反循环钻井装置5主轴下方形成旋流引射;由于顶驱背钳架采用销轴安装在顶驱旋转头27上,而顶驱旋转头27上法兰与回转驱动装置28输出法兰之间采用高强度螺栓组连接,为防止顶驱供水管40及顶驱进气管41发生缠绕故障,采用绝对值编码器36对回转驱动装置28输出法兰的转动角度进行了监测与限制;负压冲管9安装在顶部驱动反循环钻井装置5的主轴上方,同时负压冲管9与顶驱遥控防喷器29连接;分体式鹅颈管8采用螺栓组连接在负压冲管9上;
其中,多工质配流套7包括壳体701、上接头702、深沟球轴承703、单列圆锥滚子轴承704、下接头705、环式逆止阀706、压缩弹簧707、配气芯轴708、上锥套709、下芯管710及旋转格莱圈711,壳体701采用防回转拉杆21和销轴连接在顶部驱动反循环钻井装置5的顶驱背钳架上,壳体701采用防回转拉杆21限制其转动自由度;上接头702的上端采用石油钻杆接头螺纹与位于顶部驱动反循环钻井装置5的主轴下方的顶驱手动防喷器32相连接,上接头702的下端与下接头705采用矮牙艾克姆梯形螺纹连接,上扣后由上接头702和下接头705构成多工质配流套7的主承载结构,钻井作业过程中承受钩载和扭矩,上扣后在下接头705上部外圆柱段安装有增扭锁紧套,有效防止了卸扣过程中螺纹连接处松脱;配气芯轴708的上部具有圆锥形外表面,该圆锥型外表面与上锥套709的圆锥型内孔相配合,配气芯轴708的下部具有圆柱型内孔,该圆柱型内孔与下芯管710上部的外圆柱相配合;上锥套709与下芯管710上均具有限位挡肩,分别与上接头702及下接头705的内部台肩相接触,上接头702和下接头705旋合,共同限制配气芯轴708、上锥套709和下芯管710的轴向位置;壳体701上加工有进气孔c、雾化孔d、引射孔e及阻尼孔f,进气孔c、雾化孔d及引射孔e中心位于同一直线上,且进气孔c、雾化孔d和引射孔e均为沿壳体701径向贯穿的螺纹孔,阻尼孔f为沿壳体701径向布置的贯穿孔,在上接头702上对应进气孔c、雾化孔d及引射孔e的位置加工有导流槽g,于是进气孔c通过导流槽g接通进气环槽u;雾化孔d通过导流槽g接通注水环槽v,引射孔e通过导流槽g接通引射环槽w,进气环槽u、注水环槽v以及引射环槽w位于配气芯轴708的下部外圆柱段,各槽之间通过配气芯轴708上的密封档肩分隔开,在壳体701内孔对应配气芯轴708各密封档肩的配合段布置有旋转格莱圈711实现密封;在初始状态下,环式逆止阀706在压缩弹簧707的作用下贴紧上接头702下端锥面,将进气环槽u与下接头705和下芯管710之间形成的环形进气通道相阻隔,环式逆止阀706的正向导通压力不高于0.2MPa,反向截止时承压能力不低于105MPa;封隔进气环槽u与注水环槽v的密封档肩的环形截面上沿轴向加工有若干喷射孔h;引射环槽w则连通位于配气芯轴708上部的螺旋喷射槽k,螺旋喷射槽k为右旋;壳体701上的阻尼孔f直径为3mm~5mm,分上下两组,各组沿轴线均布,位于下方的阻尼孔f布置在单列圆锥滚子轴承704和进气孔c之间,位于上方的阻尼孔f布置在深沟球轴承703和引射孔e之间,在壳体701内孔孔壁上与阻尼孔f对应位置加工有卸压环槽,阻尼孔f钻透壳体701后与卸压环槽相通,同时在卸压环槽两侧均布置有旋转格莱圈711进行密封;下接头705可与双壁管具采用右旋或左旋石油钻杆接头螺纹连接,下芯管710下端可与双壁管具的内管相插接;
其中,分体式鹅颈管8包括弯管体801、法兰接头体802、法兰套筒803、安装法兰804及排渣锥套805,弯管体801通常为铸钢件,具有两个局部外加厚段,分别为外加厚段i和外加厚段j,弯管体801的前端与安装法兰804插接配合,进而采用螺栓组贯穿弯管体801和安装法兰804,将分体式鹅颈管8固定于冲管座套905上法兰上,弯管体801的后端通过螺栓与法兰接头体802及法兰套筒803同轴连接;法兰套筒803沿径向加工有注水口m,注水口m为管螺纹通孔,注水口m为上引射进水口;法兰接头体802后段具有圆锥形的外表面,在圆锥形外表面上加工有多头螺旋槽n,法兰接头体802的圆锥形外表面和排渣锥套805的内部圆锥孔相配合,于是多头螺旋槽n构成多个沿圆周均布的螺旋喷射孔道,由法兰接头体802、法兰套筒803和排渣锥套805共同组成出口引射器;由于弯管体801后段以及出口引射器均为悬臂结构,且排渣锥套805后段还需联接并拖动排渣管线18,为改善其受力状态,安装法兰804上设置有用于支撑弯管体801后段的U型座板806;
其中,负压冲管9包括冲管901、下由壬902、组合式旋转密封圈903、密封圈904、冲管座套905及上由壬906,负压冲管9的下端通过下由壬902与顶部驱动反循环钻井装置5的主轴旋转部件外螺纹段相连接,负压冲管9的上端通过上由壬906与安装法兰804的外螺纹段相连接,下由壬902与上由壬906的连接螺纹均为左旋;冲管901安装在冲管座套905内部,冲管901的工作段具有光滑的外圆柱面,冲管901的上部采用密封圈904实现静密封,冲管901的下段采用组合式旋转密封圈903实现动密封,其中静密封结构中冲管901固定段采用过盈配合,动密封结构中冲管901的工作段与刚性零件之间采用间隙配合,密封圈904的压量较大,为0.5mm~0.6mm,组合式旋转密封圈903压量为0.3mm~0.35mm,冲管901的上下两端均采用真空密封结构,冲管901采用密封结构主要用于确保其中心通道具有足够大的真空度;其中冲管901的上端设计为固定密封结构,下端轴段设计为负压旋转密封结构,以确保其中心通道可以获得较大的真空度;
所述管路系统包括排渣立管15、注水管路16、进气管路17、排渣管线18、排渣引射器19、水平排渣管20及旋流器26,排渣立管15布置在钻机井架2的右侧外部,排渣立管15采用内径大于100mm的硬管,其内部孔道是平直的,排渣立管15的上方采用法兰与排渣引射器19出口处法兰管件相连接;排渣引射器19采用安装法兰固定在钻机井架2上,排渣引射器19的进口与排渣管线18连接;排渣管线18的内径为80mm~100mm,排渣管线18远离排渣引射器19的一端连接在分体式鹅颈管8的排渣锥套805上,排渣管线18为柔性管,作业时随顶部驱动反循环钻井装置5升降,排渣管线18与排渣引射器19的连接处下方设置有支承过轮14;注水管路16和进气管路17预埋在钻机井架2内,进气管路17与注水管路16上部折弯后分别连通顶驱进气管41和顶驱供水管40,顶驱进气管41和顶驱供水管40均为柔性高压胶管,作业时被顶部驱动反循环钻井装置5拖动;顶驱进气管41后段设置有进气单向阀38,而后接通多工质配流套7的进气孔c;顶驱供水管40通过多通接头39形成分支管路接通分流器37,进而将高压水分别输送至多工质配流套7的雾化孔d和引射孔e,对于采用单台水泵25和单根注水管路16的管路系统,分流器37需并联三组,其中一组为分体式鹅颈管8提供引射流量,采用柔性高压胶管联接该组分流器37出口和分体式鹅颈管8的注水口m处接头;水平排渣管20与排渣立管15下端平滑过渡连接,水平排渣管20的出口处设置有旋流器26;旋流器26可从气液混合介质中分离出大颗粒固相物质并在其沉降口a处形成沉砂,旋流器26的溢流口b采用封闭结构,可直接连接消音器进行排放,也可根据现场作业要求进一步连接液气分离器、真空除气器等装置;
所述流体动力系统包括空压机22、增压器23及水泵25,空压机22的规格与数量可根据钻井工艺要求进行配置,深井作业需配置增压器23,多台空压机22采用并联进气管汇24与增压器23相联,增压器23出口接通地面高压管汇,进而连接进气管路17连接;水泵25通过地面高压管汇接通注水管路16;
所述监控系统包括第一压力传感器、第一流量传感器、第二压力传感器、第二流量传感器、顶驱随动电控箱35、电测系统控制柜13以及司钻房3中主控电控柜,在水泵25的进出口处、空压机22的出口处、增压器23的进出口处及排渣引射器19的进水口处各设置有一个第一压力传感器和一个第一流量传感器,各个第一压力传感器和第一流量传感器同时与电测系统控制柜13的控制器通信连接;在分流器37的出口处、进气单向阀38的出口处及分体式鹅颈管8的注水口m处各设置有一个第二压力传感器和一个第二流量传感器,各个第二压力传感器和第二流量传感器同时与顶驱随动电控箱35的控制器通信连接;顶驱随动电控箱35、电测系统控制柜13以及司钻房3中主控电控柜之间采用网线连接。
在水泵25的进出口处、空压机22的出口处、增压器23的进出口处及排渣引射器19的进水口处均设置有压力传感器和流量传感器,所检测信号由右偏房中电测系统控制柜13的控制器采集;在分流器37的出口处、进气单向阀38的出口处及分体式鹅颈管8的注水口m处均设置有压力传感器和流量传感器,所检测的信号由顶驱随动电控箱35的控制器所采集;顶驱随动电控箱35、右偏房中电测系统控制柜13以及司钻房3中主控电控柜之间采用网线连接,相应的控制器将从各处传感器采集到的模拟量转化为数字信号,通过该网线进行检测数据的传输;
所述增压器23具有旁通管路,并可进行泡沫增压。
下面结合各部件的功能和工作原理对本发明所述的顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统进行详细说明:
顶部驱动反循环钻井装置5的功能结构根据深井气体钻井全井反循环钻进工艺要求进行设计。首先,顶部驱动反循环钻井装置5的主轴由主传动箱31驱动回转,其中心通道用于排渣,即流动方向是自下而上的。全井气体反循环钻井的井内流场通常具有四个典型的流动区域:①双壁钻具的环形通道;②双壁钻具的中心通道;③井底;④钻具与井壁之间的环形通道。高压气体从双壁钻具的环形通道输入,驱动井底动力钻具做功并携带岩屑上返。由于井底流场结构具有三通性质,在钻具与井壁之间的环形通道内压力较低的情况下,则会形成非正常的正循环流动或漏失。为了尽可能使井底流体进入双壁钻具中心通道,以便形成稳定的反循环流动,在地面装备的中心通道出口段形成负压是一种先进的流场控压技术。因此,顶部驱动反循环钻井装置5在其分体式鹅颈管8以及多工质配流套7中分别设计了旋流引射结构,其中分体式鹅颈管8处安装有出口引射器为上引射器,安装在多工质配流套7内的旋流引射结构为下引射器。出口引射器采用相对于顶驱固定的法兰套筒803,同时提供喷射流道和排渣通道的法兰接头体802也是固定的。高压水通过法兰套筒803的注水口m输入,经法兰接头体802后段圆锥形外表面上的多头螺旋槽n,产生旋流喷射作用,于是在法兰接头体802中心孔道出口段形成较大的真空度。顶驱下引射器通过配气芯轴708上部的螺旋喷射槽k产生旋流喷射作用,其流体传输过程如下:高压水经多工质配流套7之壳体701的引射孔e进入导流槽g,而后进入引射环槽w,将流量分配给螺旋喷射槽k。于是顶驱下引射器所输入的高压水由环形空间进入中心通道,通过旋流喷射的方式产生负压,向上喷射的水流与中心通道多相介质混合,在顶部驱动反循环钻井装置5的主轴上段中心通道流场中形成液气体稠度较高的多相管流,从而对顶部驱动反循环钻井装置5的主轴下段产生强烈的负压抽吸作用,以克服全井气体反循环中心通道内的流动阻力,形成稳定的全井气体反循环流动过程。
顶部驱动反循环钻井装置5中心通道内产生的负压抽吸作用,是实现全井气体反循环流动的关键,由前述内容可知产生负压的机理依赖于旋流引射结构和以高压水为喷射介质的动态流动过程。顶部驱动反循环钻井装置5的主轴上段普遍处于真空状态,于是反循环顶部驱动钻井装置5上配置有负压冲管9,冲管901上下两端均采用真空密封结构,其中上端设计为固定密封结构,下端轴段设计为负压旋转密封结构,以确保其中心通道可以获得较大的真空度。为提高负压冲管9旋转密封结构的使用寿命,需合理设计密封件的压量,且在冲管座套905上设计有注脂结构,用于自外向内地注入油脂进行维护。
顶部驱动反循环钻井装置5的鹅颈管主要用于排渣,实施气体反循环钻进时其所承受的压力较低,但鹅颈管中心通道流体携带岩渣屑在鹅颈管弯管段将产生较强的冲刷作用,为避免鹅颈管寿命过低,本发明将其设计成分体式结构。所述分体式鹅颈管8结构中的弯管体801通常采用铸钢件,弯管体801具有外加厚段i和外加厚段j两个局部外加厚段,有效地提高了耐冲刷磨损的能力。弯管体801与法兰接头体802、法兰套筒803之间采用法兰和螺栓联接,便于更换。分体式鹅颈管结构更加适用于气体反循环钻井工艺,较整体式鹅颈管大幅度降低了维护成本。
气液多相介质的全井反循环是针对复杂地层气体反循环钻进施工所提出的工艺方法,即以压缩空气为主要介质,向其中注入清水可实施雾化钻进,有效处理泥化夹层钻进过程中的反循环通道易堵塞的问题,于是顶部驱动反循环钻井装置5配置有多工质配流套7,多工质配流套7实质上是一套安装在顶部驱动反循环钻井装置5的主轴下方的复合式旋转接头,用于输入压缩空气、高压水以及形成顶部驱动反循环钻井装置5的主轴下方的旋流引射作用,该复合式旋转接头的壳体701通过防回转拉杆21和销轴与顶驱背钳架相联,限制了自身的转动自由度,并通过对外连接孔道采用密封管螺纹接头连接用于进气及供水的柔性管路,其中进气孔c通过导流槽g接通进气环槽u,用于输入压缩空气;雾化孔d通过导流槽g接通注水环槽v,用于输入产生雾化作用的高压水;引射孔e通过导流槽g接通引射环槽w,用于注入高压水产生旋流引射作用。通过进气孔c注入的压缩空气与通过雾化孔d注入的高压水在多工质配流套7内部实现混合,由于水的压力高于压缩空气的压力,由雾化孔d注入的高压水经轴向喷射孔h进入进气环槽u中,产生雾化作用;壳体701具有整体式结构并由深沟球轴承703和单列圆锥滚子轴承704支承,为了防止高压多相介质泄漏后进入轴承空间、防止泄漏引起旋转密封失效,在壳体701上加工有两组阻尼孔f用于卸压。
多工质配流套7的上接头702上端与顶驱手动防喷器32采用石油钻杆接头螺纹相联接,下端与下接头705采用矮牙艾克姆梯形螺纹联接,上扣后由上接头702和下接头705构成多工质配流套7的主承载结构,钻井作业过程中承受钩载和扭矩。在下接头705上部外圆柱段安装有增扭锁紧套作为增扭装置,有效防止了卸扣过程中螺纹联接处松脱。下接头705可直接联接双壁钻具,联接过程中需要借助于顶驱背钳33进行上扣和卸扣。下芯管710在上下接头旋合过程中插接入配气芯轴708,用于隔离中心通道r和环形通道q,钻进过程中多相介质在环槽u内混合后,通过轴向喷射孔h进入环形通道q,实现多工质混合进气,中心通道r则用于排出携带有岩渣屑的多相流体。气体钻井的工作介质具有很强的可压缩性,环式逆止阀706在接卸钻具过程中用于防止高压进气通道内的流体回弹引起倒流喷溅。此外,井喷是钻井工程中可能遇到的突发性事件,全井气体反循环钻进时如发生井喷,须针对中心通道、双壁钻具环形进气通道、双壁钻具与井筒之间的环形通道采取防喷措施,因此在地面装备中的钻机底座1的平台下方、沿顶部驱动反循环钻井装置5主轴回转轴线所在位置同轴布置有防喷器10,用于双壁钻具与井筒之间的环形通道的防喷处理,环式逆止阀706用于关断双壁钻具环形进气通道,顶驱手动防喷器32和遥控防喷器29用于关断双壁钻具中心通道,上述功能要在发生井喷瞬间近似同步完成,其中环式逆止阀706的反向截至作用是根据压力变化自动完成的,其反向截至压力可达105MPa,防喷器10和顶驱遥控防喷器29的动作,需要在地面装备电气控制系统中设置相应的自动控制功能。
空压机22单台供风量不低于20m3/min,压力1.8MPa~3.0MPa,地面装备系统中空压机22的数量为2~8台,深井作业时配置增压器23的数量为1~2套,空压机22通常采用并联管路,所提供的压缩空气在增压器23进口处集流。实际钻井作业时根据具体的供气量要求确定空压机22的工作台数,根据供气压力要求确定是否启动增压器23。通常对于浅层施工不需要启动增压器23,因此在增压器23内部设置有旁路供气通道,可使空压机22输出的压缩气流直接进入高压管汇。深井钻探作业时气流经增压器23以更高的压力进入高压管汇,然后进入进气管路17,进而通过顶驱进气管41输入顶驱进气通道。地面装备系统所配置的水泵25的数量为1~2台,可并联,也可单独供水。气体反循环钻井过程中,分体式鹅颈管8的排渣锥套805出口处是外部排渣管路的起始过流断面,携带岩渣屑的混合流体介质经旋流引射结构进入顶驱拖动的柔性排渣管线18,在顶部驱动反循环钻井装置5提升和下放过程中,排渣管线18保持了U型管的形状,其两个竖直管段的长度是随着顶部驱动反循环钻井装置5位置高度的不同而变化的。排渣管线18的内径为80mm~100mm。由于弯管体801后段以及出口引射器均为悬臂结构,柔性排渣管线18重量大,为改善其受力状态,安装法兰804提供了U型座板806支承在弯管体801后段。钻机井架2的右侧外部布置有排渣立管15、排渣立管15采用内径大于100mm的硬管分段联接而成,其内部孔道是平直的;排渣立管15上方安装的排渣引射器19采用了与分体式鹅颈管8类似的结构,在流动方向急剧变化的管段进行了局部加厚处理,出口处设计为旋流引射结构用于产生负压,补偿管路中的压力损失,确保反循环流动顺畅。排渣管线18采用法兰连接在排渣引射器19进口处,该连接处的下方设置有支承过轮14,对排渣管线18外管进行了妥善的防护,避免其在运动状态下磨损。排渣立管15的末端水平排渣管20的出口处设置有旋流器26,气液混合介质中的大颗粒固相岩渣屑可通过其分离出来并在旋流器26的沉降口a处形成沉砂,旋流器26的溢流口b采用封闭结构,可直接连接消音器进行排放,也可根据现场作业要求进一步连接液气分离器、真空除气器等装置。
钻机井架2内预埋的高压流体输送管路主要包括进气管路17,数量为1根,注水管路16,数量为1~2根,及电缆走线保护管1~2根;进气管路17与注水管路16分别连通顶驱进气管41和顶驱供水管40,顶驱进气管41和顶驱供水管40均为柔性高压胶管,作业时被顶部驱动反循环钻井装置5拖动,具有U型管形状。顶驱进气管41后段设置有进气单向阀38,而后接通多工质配流套7的进气孔c,进气单向阀38的设置有效避免了双壁钻具环形通道压力过高时高压水流倒灌入进气管路。采用单台水泵25和单根供水管16的管路系统,可采用齿轮分流器37进行分流,分流器37需并联三组,其中一组分流器37的出口采用柔性高压胶管接通分体式鹅颈管8的注水口m,为排渣出口旋流引射器提供流量;另外两组则将分流后的高压水输送至多工质配流套7的雾化孔d和引射孔e,用于气液混合雾化以及顶驱下部引射器产生旋流引射作用。
在水泵25的进出口处、空压机22的出口处、增压器23的进出口处、排渣引射器19的进水口处均设置有压力传感器和流量传感器,所检测信号由右偏房中电测系统控制柜13的控制器采集,该控制器将其所管辖的各处传感器输入的模拟量转化为数字信号并进行存储;在分流器37的出口处、进气单向阀38的出口处、分体式鹅颈管8的注水口m处均设置有压力传感器和流量传感器,所检测的信号由顶驱随动电控箱35的控制器所采集,该控制器将其所管辖的各处传感器输入的模拟量转化为数字信号并进行存储;顶驱随动电控箱35、电测系统控制柜13以及司钻房3中主控电控柜之间采用网线联接,采用输入输出端口模块并通过该网线进行检测信号的数字化传输,有效避免了电场、磁场的干扰,大幅度提高了检测信号传递的准确性、稳定性以及传输效率。
如图1所示,本发明所提及的顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统可采用电气传动或液压传动的顶驱装置,针对全井气体反循环钻进技术的具体要求进行顶驱装置相关功能结构的创新设计,具体内容包括采用多工质配流套7进行气液混合以产生雾化效果、在顶部驱动反循环钻井装置5主轴下方及鹅颈管分体式鹅颈管8的出口处设置旋流引射结构以产生负压、采用负压冲管9密闭中心排渣通道等等。上述功能结构的设置,使该顶驱能够满足复杂地层多工艺全孔气体反循环深井钻探作业的要求。
本发明所提及的多工质特指压缩空气、由可压缩气体和清水混合的雾化介质以及泡沫介质,重点考虑钻遇复杂地层的作业情况,其中雾化介质主要用于有泥化夹层的反循环钻探工程。事实上,常规的气体反循环钻井作业可由空压机22单独供气,深井气体反循环钻井作业可在空压机22后串接增压器23作业。在钻遇硬岩地层并采用井底动力机具时,压缩气体和雾化介质均可用于压力能传输,并在井底转化为机械能进行碎岩。泡沫介质主要用于裂隙发育地层,所述之地面装备系统提供了两种泡沫介质的混合方式,其一是将水泵25和空压机22并联至泡沫增压泵,而后提供给顶部驱动反循环钻井装置5;其二是将空压机22和水泵25出口并联至增压器23,连续注入发泡剂,利用增压器23完成泡沫增压,进而提供给顶部驱动反循环钻井装置5。前者需单独配置泡沫增压泵,后者则需要增压器23具有泡沫发生和增压功能。
无论钻井作业过程还是起下钻过程,顶部驱动反循环钻井装置5都将沿着顶驱导轨4提升或下放,于是联接在顶部驱动反循环钻井装置5和排渣立管15之间的管路都是柔性的,其中排渣管线18采用厚壁的低压耐磨材质,可以是夹布胶管、单层钢丝缠绕胶管或PVC管,其管道内径需大于分体式鹅颈管8的出口过流断面直径。排渣管线18与排渣立管15连接处是流动方向突然变化的部位,采用局部加厚铸钢弯管提高了耐磨性,排渣引射器19的设置,使排渣管线18的沿程损失和局部损失得到补偿,有利于保持全井反循环流动过程顺畅,由于排渣管线18是柔性的,此处的负压抽吸能力不宜过强,以免引起排渣管线18局部过流断面变形、导致排渣通道堵塞。供气供水管路则采用钢丝缠绕高压胶管。为避免地面装备配置过于复杂,可采用单台高压水泵25同时为雾化供水和上、下引射器供水,在顶驱背钳架后方布置的分流器37实现了流量的合理分配。必要的情况下,也可增加一台低压大流量水泵25,用于分体式鹅颈管8处上引射器供水。由此将引起钻机井架2预埋管线数量增加、顶驱拖动的供水管数量增加为2根,但分流器37可减少一路,且低压供水管路可直联至上引射供水口,顶部驱动反循环钻井装置5内部的管路得以简化,并且不受旋转头动作的影响。
本发明所提出的深井气体反循环钻进参数电气监测系统是采用网线进行数字通讯的原理建立的,该监测系统服务于深井气体反循环钻进过程,检测的参数包括反循环进时的工作介质压力、流量、温度、密度等,其他采用外部总线进行通讯或无线数据传输方式构建的类似系统,也在本发明的保护范围之内,如基于CAN总线、PowerLink总线的气体反循环钻进参数电气监测系统。
如图7所示,本发明所提出的多工质配流套7、负压冲管9和分体式鹅颈管8,同样适用于钻井动力水龙头的创新结构。动力水龙头50通过水龙头提升臂51悬挂在游车12上,可由游车12牵引上下运动,钻井作业时动力水龙头50的下接头与双壁主动钻杆相连接,由于采用转盘驱动回转,故下接头的对外连接处加工为左旋螺纹。进而为其配置柔性进气、供水、排渣管路后,可实施深井气体反循环钻进。为防止柔性管路缠绕,多工质配流套7的壳体采用防回转拉杆21限制其转动。尽管采用动力水龙头50不具备顶驱装置的先进性,但考虑到动力水龙头50作为常规钻井设备依然在行业内具有较高的保有量和应用场合,故对所提出的基于深井全孔气体反循环技术设计的创新装置应用于动力水龙头50的地面装备配置方法进行保护。
综上,本发明提出的顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统,以顶部驱动反循环钻井装置5为核心,顶部驱动反循环钻井装置5具有多工质配流套7、分体式鹅颈管8及负压冲管9等主要功能部件。将顶部驱动反循环钻井装置5安装在钻机主体上,围绕顶部驱动反循环钻井装置5布置管路,建立地面空压机22、增压器23和水泵25等流体动力设备与顶部驱动反循环钻井装置5之间的流体循环系统,作业时可同时输入气相和液相介质并排出岩屑。为确保全井反循环流场的形成,在分体式鹅颈管8及排渣立管15顶部折弯处设置有旋流喷射式引射器。地面装备系统具有气体反循环流场参数的监控功能。本发明可实现进气增压,多工质混合进气、负压抽吸排气、射流能量输入、延长易损件寿命、环形进气通道自动防喷等功能。

Claims (2)

1.顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统,其特征在于,包括:钻机主体、顶驱导轨(4)、顶部驱动反循环钻井装置(5)、管路系统、流体动力系统及监控系统,
所述钻机主体包括钻机底座(1)、钻机井架(2)、二层台(6)、天车(11)及游车(12),在钻机底座(1)的钻台面上布置有司钻房(3)、左偏房和右偏房,司钻房(3)内设置有操作面板和主控电控柜;右偏房内设置有电测系统控制柜(13);在钻机底座(1)的平台下方且沿顶部驱动反循环钻井装置(5)主轴回转轴线所在位置同轴布置有防喷器(10);钻机井架(2)安装在钻机底座(1)上;二层台(6)、天车(11)及游车(12)均安装在钻机井架(2)上,天车(11)位于钻机井架(2)的顶部;
所述顶驱导轨(4)的上部采用销轴悬挂在天车(11)的底部,顶驱导轨(4)的下段采用反扭矩梁安装在钻机井架(2)上;
所述顶部驱动反循环钻井装置(5)采用滚轮滑车(34)与顶驱导轨(4)滑动配合,顶部驱动反循环钻井装置(5)通过提升吊臂上方的万向节(30)与游车(12)采用销轴连接,钻机的主提升钢绳绕过游车(12)与天车(11)间的滑轮组形成绳系,在钻机的主提升绞车驱动下,游车(12)完成提升与下放顶部驱动反循环钻井装置(5)动作;顶部驱动反循环钻井装置(5)上配备有多工质配流套(7)、分体式鹅颈管(8)、负压冲管(9)、顶驱旋转头(27)、回转驱动装置(28)、顶驱遥控防喷器(29)、顶驱主传动箱(31)、顶驱手动防喷器(32)、顶驱背钳(33)、顶驱随动电控箱(35)、绝对值编码器(36)、顶驱供水管(40)及顶驱进气管(41),顶驱主传动箱(31)用于驱动顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴回转,顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴中心通道用于排渣;顶驱背钳(33)安装在顶驱背钳架上;多工质配流套(7)安装在顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴下方,多工质配流套(7)采用石油钻杆接头螺纹与顶驱手动防喷器(32)相联接,多工质配流套(7)的外部通过防回转拉杆(21)和销轴联接在顶部驱动反循环钻井装置(5)的顶驱背钳架上,多工质配流套(7)上的对外连接孔道采用密封管螺纹接头连接顶驱供水管(40)及顶驱进气管(41),多工质配流套(7)用于输入压缩空气、高压水以及在顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴下方形成旋流引射;顶驱背钳架采用销轴安装在顶驱旋转头(27)上;顶驱旋转头(27)上法兰与回转驱动装置(28)输出法兰之间采用高强度螺栓组连接;绝对值编码器(36)用于测量和限制回转驱动装置(28)输出法兰的转动角度;负压冲管(9)安装在顶部驱动反循环钻井装置(5)的主轴上方,同时负压冲管(9)与顶驱遥控防喷器(29)连接;分体式鹅颈管(8)采用螺栓组连接在负压冲管(9)上;
其中,多工质配流套(7)包括壳体(701)、上接头(702)、深沟球轴承(703)、单列圆锥滚子轴承(704)、下接头(705)、环式逆止阀(706)、压缩弹簧(707)、配气芯轴(708)、上锥套(709)、下芯管(710)及旋转格莱圈(711),壳体(701)采用防回转拉杆(21)和销轴连接在顶部驱动反循环钻井装置(5)的顶驱背钳架上,壳体(701)上加工有进气孔c、雾化孔d、引射孔e及阻尼孔f,进气孔c、雾化孔d及引射孔e中心位于同一直线上,且进气孔c、雾化孔d和引射孔e均为沿壳体(701)径向贯穿的螺纹孔,阻尼孔f为沿壳体(701)径向布置的贯穿孔;上接头(702)的上端采用石油钻杆接头螺纹与顶驱手动防喷器(32)相连接,上接头(702)的下端与下接头(705)采用矮牙 艾克姆梯形螺纹连接;配气芯轴(708)的上部具有圆锥形外表面,该圆锥形 外表面与上锥套(709)的圆锥型内孔相配合,配气芯轴(708)下部外圆柱段依次加工有进气环槽u、注水环槽v以及引射环槽w,配气芯轴(708)上的密封档肩将各槽分隔开来,在壳体(701)内孔对应配气芯轴(708)各密封档肩的配合段均布置有旋转格莱圈(711);配气芯轴(708)的下部具有圆柱型内孔,该圆柱型内孔与下芯管(710)上部的外圆柱相配合;上锥套(709)与下芯管(710)上均具有限位挡肩,分别与上接头(702)及下接头(705)的内部台肩相接触;在上接头(702)上对应进气孔c、雾化孔d及引射孔e的位置加工有导流槽g,进气孔c通过导流槽g接通进气环槽u;雾化孔d通过导流槽g接通注水环槽v,引射孔e通过导流槽g接通引射环槽w;环式逆止阀(706)用于关断双壁钻具环形进气通道,在初始状态下,环式逆止阀(706)在压缩弹簧(707)的作用下贴紧上接头(702)下端锥面,将进气环槽u与下接头(705)和下芯管(710)之间形成的环形进气通道相阻隔;封隔进气环槽u与注水环槽v的密封档肩的环形截面上沿轴向加工有喷射孔h;引射环槽w连通位于配气芯轴(708)上部的螺旋喷射槽k,螺旋喷射槽k为右旋;壳体(701)上的阻尼孔分上下两组,各组沿轴线均布,位于下方的阻尼孔f布置在单列圆锥滚子轴承(704)和进气孔c之间,位于上方的阻尼孔f布置在深沟球轴承(703)和引射孔e之间,在壳体(701)内孔孔壁上与阻尼孔f对应位置加工有卸压环槽,阻尼孔f钻透壳体(701)后与卸压环槽相通,同时在卸压环槽两侧均布置有旋转格莱圈(711);下接头(705)与双壁管具采用右旋或左旋石油钻杆接头螺纹连接;下芯管(710)的下端与双壁管具的内管相插接;
其中,分体式鹅颈管(8)包括弯管体(801)、法兰接头体(802)、法兰套筒(803)、安装法兰(804)及排渣锥套(805),弯管体(801)的前端与安装法兰(804)插接配合,采用螺栓组贯穿弯管体(801)的前端与安装法兰(804)并将二者固定在冲管座套(905)上法兰上,弯管体(801)的后端通过螺栓与法兰接头体(802)及法兰套筒(803)同轴连接;法兰套筒(803)沿径向加工有注水口m,注水口m为管螺纹通孔;法兰接头体(802)后段具有圆锥形的外表面,在圆锥形外表面上加工有多头螺旋槽n,法兰接头体(802)的圆锥形外表面和排渣锥套(805)的内部圆锥孔相配合,法兰接头体(802)、法兰套筒(803)和排渣锥套(805)共同组成出口引射器;
其中,负压冲管(9)包括冲管(901)、下由壬(902)、组合式旋转密封圈(903)、密封圈(904)、冲管座套(905)及上由壬(906),冲管(901)安装在冲管座套(905)内部,冲管(901)的下端通过下由壬(902)与顶部驱动反循环钻井装置(5)主轴的旋转部件外螺纹段相连接,冲管(901)的上端通过上由壬(906)与安装法兰(804)的外螺纹段相连接,下由壬(902)与上由壬(906)的连接螺纹均为左旋,冲管(901)的工作段具有光滑的外圆柱面,冲管(901)的上部采用密封圈(904)构成静密封结构,冲管(901)的下段采用组合式旋转密封圈(903)构成动密封结构,静密封结构中冲管(901)固定段采用过盈配合,动密封结构中冲管(901)的工作段与刚性零件之间采用间隙配合;
所述管路系统包括排渣立管(15)、注水管路(16)、进气管路(17)、排渣管线(18)、排渣引射器(19)、水平排渣管(20)及旋流器(26),排渣立管(15)布置在钻机井架(2)的右侧外部,排渣立管(15)的内部孔道平直,排渣立管(15)的上方采用法兰与排渣引射器(19)出口处法兰管件相连接,排渣立管(15)的下端与水平排渣管(20)平滑过渡连接;水平排渣管(20)的出口处设置有旋流器(26);注水管路(16)和进气管路(17)预埋在钻机井架(2)内,注水管路(16)与顶驱供水管(40)连通,进气管路(17)与顶驱进气管(41)连通;顶驱进气管(41)后段设置有进气单向阀(38),而后接通多工质配流套(7)的进气孔c;顶驱供水管(40)通过多通接头(39)形成分支管路接通分流器(37),分流器(37)分别与多工质配流套(7)的雾化孔d和引射孔e,以及分体式鹅颈管(8)的注水口m连接;排渣引射器(19)采用安装法兰固定在钻机井架(2)上,排渣引射器(19)的进口与排渣管线(18)联接;排渣管线(18)远离排渣引射器(19)的一端连接在分体式鹅颈管(8)的排渣锥套(805)上;
所述流体动力系统包括空压机(22)、增压器(23)及水泵(25),空压机(22)采用并联进气管汇(24)与增压器(23)连接,增压器(23)出口通过地面高压管汇与进气管路(17)连接;水泵(25)通过地面高压管汇接通注水管路(16);
所述监控系统包括第一压力传感器、第一流量传感器、第二压力传感器、第二流量传感器、顶驱随动电控箱(35)、电测系统控制柜(13)以及司钻房(3)中主控电控柜,在水泵(25)的进出口处、空压机(22)的出口处、增压器(23)的进出口处及排渣引射器(19)的进水口处各设置有一个第一压力传感器和一个第一流量传感器,各个第一压力传感器和第一流量传感器同时与电测系统控制柜(13)的控制器通信连接;在分流器(37)的出口处、进气单向阀(38)的出口处及分体式鹅颈管(8)的注水口m处各设置有一个第二压力传感器和一个第二流量传感器,各个第二压力传感器和第二流量传感器同时与顶驱随动电控箱(35)的控制器通信连接;顶驱随动电控箱(35)、电测系统控制柜(13)以及司钻房(3)中主控电控柜之间采用网线连接;
所述上接头(702)和下接头(705)旋合后,在下接头(705)上部外圆柱段安装有增扭锁紧套;
所述弯管体(801)具有两个局部外加厚段;
所述安装法兰(804)上设置有用于支撑弯管体(801)后段的U型座板(806);
所述排渣管线(18)与排渣引射器(19)的连接处下方设置有支承过轮(14);
所述增压器(23)具有旁通管路。
2.根据权利要求1所述的顶部驱动气体反循环钻井地面装备系统,其特征在于:在冲管座套(905)上设置有注脂结构。
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