CN114151002A - 一种连续循环式钻井动力系统防护装置及其防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及钻探技术领域，具体涉及一种连续循环式钻井动力系统防护装置及其防护方法。本发明设计的辅助定位机构可以在钻杆移动时，精确测量钻杆的位移量，便于定位安装和更换钻杆，当钻杆达到预定位置时，可驱动齿轮转动带动辅助固定套固定钻杆，便于钻杆安装。设计的液压系统设计有调节阀，通过调节阀可以切换两组密封夹持板的密封性，便于检修和后期应对各种复杂工况。设计的液压系统和密封机构配合，和传统的密封机构相比实现了两组弹性密封环的主动密封，且采用出油管和进油管输送液压油，大大提高了该装置的密封性和安全性。

Description

一种连续循环式钻井动力系统防护装置及其防护方法

技术领域

本发明涉及钻探技术领域，具体涉及一种连续循环式钻井动力系统防护装置及其防护方法。

背景技术

连续钻井设备由于可以在换钻杆的过程中保持钻井液循环，可以有效防止故障发生，因此在钻井领域应用非常广泛，但是由于钻井液具有较大压力，因此在更换钻杆和钻井过程中钻井液喷射出来会对钻井的动力设备造成损伤。目前，可以作为连续循环装置的半封装置有常规半封闸板防喷器、常规被动密封式旋转控制头以及其他类型的主动式旋转控制头；常规半封闸板胶芯直接受到钻杆直接磨擦，胶芯易损坏寿命短；常规被动密封式旋转控制头高度大，且需要引锥引导穿入胶芯，但在连续循环装置上扣时钻杆无法使用引锥。在目前已公开的专利中，虽然有很多方案例如采用胶芯作为防喷器，但是这些胶芯无法主动抱紧钻杆导致密封性较差，而一些具有主动抱紧功能的胶芯防喷器需要复杂的油路进行密封，成本巨大且密封性难以保证，不仅使连续钻井设备更加复杂臃肿，还降低了连续钻井设备的可靠性。因此设计安全可靠的的连续钻井设备的动力防护装置是非常有必要的。

发明内容

针对上述技术背景提到的不足，本发明的目的在于提供一种连续循环式钻井动力系统防护装置及其防护方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种连续循环式钻井动力系统防护装置，包括机架、辅助定位机构、液压系统和密封机构，其特征在于，所述机架包括防护壳，防护壳上下表面设置有固定板，固定板上开有第一通孔，第一通孔两侧设置有两个对称分布的螺栓，固定板下表面设置有定位密封环，定位密封环外侧设置有若干圆周分布的限位凸台，防护壳前后两侧设置有可以拆卸的盖板，防护壳内部设置有两个平行分布的固定套，固定套固定在防护壳内壁，下方的固定板下表面固定有密封套。

进一步的，所述辅助定位机构包括设置在上方固定板上表面的底座，两个底座沿第一通孔对称分布，底座内开有凹槽，凹槽上下面均设置有滑槽，滑槽内滑动设置有齿条，两个齿条之间设置有齿轮，上方的齿条靠近第一通孔的一端固定有位置传感器，位置传感器末端转动连接有滚轮，下方的齿条靠近第一通孔的一端固定有辅助固定套。

进一步的，所述液压系统包括设置在防护壳右侧面的进油阀体，进油阀体远离防护壳的侧面开有进油口，进油阀体右侧面下部开有贯穿进油阀体的第一连通口，进油阀体右侧面上部开有贯穿进油阀体的第二连通口，进油阀体右侧面中部开有连通进油口的调节孔，调节孔内设置有调节阀，调节孔外部设置有伸缩泵，伸缩泵输出端和调节阀固定连接，第一连通口和第二连通口通过调节阀和进油口连通。

进一步的，所述调节阀正对进油口的位置开有四个线性分布的调节进油口，调节阀和进油口垂直的位置从右向左依次开有第一切换口、第二切换口，第三切换口和第四切换口，且四个切换口各对应一个调节进油口。

进一步的，所述第一切换口贯穿调节阀和第一连通口、第二连通口连通；第二切换口和第一连通口连通；第三切换口和第二连通口连通，第四切换口贯穿调节阀和第一连通口、第二连通口连通，第四切换口内设置有溢流阀。

进一步的，所述第一连通口和第二连通口均连接有进油管，进油管贯穿防护壳，进油管远离进油阀体的一端连接有调节块，调节块倾斜设置，调节块外侧面设置有倾斜向下的柱塞头，调节块远离进油管的一侧连通有出油管，出油管贯穿防护壳，出油管远离调节块的一端连接有出油阀体，出油阀体和外界液压循环系统连通。

进一步的，所述密封机构包括密封套管，密封套管上下端面均开有两个对称分布的螺纹孔，螺纹孔和螺栓配合，密封套管开有内腔，密封套管上下端面均开有密封槽，密封槽内壁开有若干圆周分布的限位槽，限位槽和限位凸台配合，内腔内壁开有两个环形槽，环形槽上下面均设置有弹性密封环，弹性密封环之间设置有两个对称分布的密封夹持板，密封夹持板的外径大于内腔内径，密封夹持板外径小于环形槽内径。

进一步的，所述密封夹持板远离内腔的一侧开有半圆孔，密封夹持板上表面固定有倾斜设置的调节套，调节套内部开有安装腔，安装腔内部设置有钢芯，调节套和密封套管利用密封胶连接在一起。

进一步的，所述防护方法如下：

S1、更换钻杆时，通过传感器可精确测量钻杆的位移量；

S2、钻杆到达预定位置，齿轮转动带动辅助固定套固定钻杆，便于后续安装钻杆；

S3、当钻杆就位后，根据实际需求切换调节阀的切换口，灵活调节两组密封夹持板的夹持力度和密封性；

S4、密封夹持板夹持钻杆的过程中，始终和弹性密封环贴紧，保证密封性；

S5、当需要进行检修时，可拆卸盖板，然后控制调节阀的位置，灵活检测两组密封夹持板的密封性，提高检修效率和质量。

本发明的有益效果：

1、本发明设计的辅助定位机构可以在钻杆移动时，精确测量钻杆的位移量，便于定位安装和更换钻杆，当钻杆达到预定位置时，可驱动齿轮转动带动辅助固定套固定钻杆，便于钻杆安装。

2、本发明设计的液压系统设计有调节阀，通过调节阀可以切换两组密封夹持板的密封性，便于检修和后期应对各种复杂工况。

3、本发明设计的液压系统和密封机构配合，和传统的密封机构相比实现了两组弹性密封环的主动密封，且采用出油管和进油管输送液压油，大大提高了该装置的密封性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明的内部结构示意图；

图2是防护壳的内部结构示意图；

图3是本发明的外部结构示意图；

图4是固定板的结构示意图；

图5是辅助定位机构的结构示意图；

图6是辅助定位机构的局部放大示意图；

图7是液压系统的结构示意图；

图8是液压系统的局部爆炸示意图；

图9是调节阀的上示图和剖视图；

图10是密封机构的结构示意图；

图11是密封机构的剖视图；

图12是密封机构夹持部件的爆炸图。

图中标号说明：

1、机架；11、防护壳；12、盖板；13、固定板；131、第一通孔；132、螺栓；133、定位密封环；1331、限位凸台；14、固定套；15、密封套；2、辅助定位机构；21、底座；211、凹槽；212、滑槽；22、齿条；23、齿轮；24、位置传感器；241、滚轮；25、辅助固定套；3、液压系统；31、进油阀体；311、进油口；312、第一连通口；313、调节孔；314、第二连通口；32、伸缩泵；33、调节阀；331、调节进油口；332、第一切换口；333、第二切换口；334、第三切换口；335、第四切换口；336、溢流阀；34、进油管；35、调节块；351、柱塞头；36、出油管；37、出油阀体；4、密封机构；41、密封套管；411、螺纹孔；412、密封槽；4121、限位槽；413、内腔；4131、环形槽4131；42、调节套；421、安装腔；422、钢芯；43、弹性密封环；44、密封夹持板；441、半圆孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“开孔”、“上”、“下”、“厚度”、“顶”、“中”、“长度”、“内”、“四周”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

一种连续循环式钻井动力系统防护装置及其防护方法，包括机架1、辅助定位机构2、液压系统3和密封机构4。

如图1、2、3、4所示，机架1包括防护壳11，防护壳11上下表面设置有固定板13，固定板13上开有第一通孔131，第一通孔131两侧设置有两个对称分布的螺栓132，固定板13下表面设置有定位密封环133，定位密封环133外侧设置有若干圆周分布的限位凸台1331。防护壳11前后两侧设置有可以拆卸的盖板12，当需要检修时，可拆卸盖板12对防护壳11内部进行检修,防护壳11内部设置有两个平行分布的固定套14，固定套14固定在防护壳11内壁。下方的固定板13下表面固定有密封套15。

1、3、5、6所示，辅助定位机构2包括设置在上方固定板13上表面的底座21，两个底座21沿第一通孔131对称分布，底座21内开有凹槽211，凹槽211上下面均设置有滑槽212，滑槽212内滑动设置有齿条22，两个齿条22之间设置有齿轮23。上方的齿条22靠近第一通孔131的一端固定有位置传感器24，位置传感器24末端转动连接有滚轮241。下方的齿条22靠近第一通孔131的一端固定有辅助固定套25。当下钻杆时，可驱动齿轮23齿条22，使滚轮241贴紧钻杆，通过滚轮241的滚动实时监测钻杆的位移量，保证钻杆顺利到达预定位置，当到达预定位置后，驱动齿轮23反转，使辅助固定套25固定钻杆便于后期钻杆顺利和下方零部件连接。

如图1、7、8、9所示，液压系统3包括设置在防护壳11右侧面的进油阀体31，进油阀体31远离防护壳11的侧面开有进油口311，进油阀体31右侧面下部开有贯穿进油阀体31的第一连通口312，进油阀体31右侧面上部开有贯穿进油阀体31的第二连通口314，进油阀体31右侧面中部开有连通进油口311的调节孔313，调节孔313内设置有调节阀33，调节孔313外部设置有伸缩泵32，伸缩泵32输出端和调节阀33固定连接，第一连通口312和第二连通口314通过调节阀33和进油口311连通。调节阀33正对进油口311的位置开有四个线性分布的调节进油口331，调节阀33和进油口311垂直的位置从右向左依次开有第一切换口332、第二切换口333，第三切换口334和第四切换口335，且四个切换口均对应一个调节进油口331。第一切换口332贯穿调节阀33和第一连通口312、第二连通口314连通；第二切换口333和第一连通口312连通；第三切换口334和第二连通口312连通，第四切换口335贯穿调节阀33和第一连通口312、第二连通口314连通，第四切换口335内设置有溢流阀336。可以根据实际情况切换不同的连通口，增加功能的多样性，适用于多种工况。且当该装置发生故障时，可通过切换不同的连通口，检修故障发生的位置，

第一连通口312和第二连通口314均连接有进油管34，进油管34贯穿防护壳11，进油管34远离进油阀体31的一端连接有调节块35，调节块35倾斜设置，调节块35外侧面设置有倾斜向下的柱塞头351，调节块35远离进油管34的一侧连通有出油管36，出油管36贯穿防护壳11，出油管36远离调节块35的一端连接有出油阀体37，出油阀体37和外界液压循环系统连通。

如图1、2、10、11、12所示，密封机构4包括密封套管41，密封套管具有一定弹性，密封套管41上下端面均开有两个对称分布的螺纹孔411，螺纹孔411和螺栓132配合，密封套管41开有内腔413，密封套管41上下端面均开有密封槽412，密封槽412内壁开有若干圆周分布的限位槽4121，限位槽4121和限位凸台1331配合。内腔413内壁开有两个环形槽4131，环形槽4131上下面均设置有弹性密封环43，弹性密封环43之间设置有两个对称分布的密封夹持板44，密封夹持板44的外径大于内腔413内径，密封夹持板44外径小于环形槽4131内径。密封夹持板44远离内腔413的一侧开有半圆孔441，密封夹持板44上表面固定有倾斜设置的调节套42，调节套42内部开有安装腔421，安装腔421内部设置有钢芯422。调节套42和密封套管41利用密封胶连接在一起。由于密封套管41和弹性密封环43具有一定的弹性因此当向密封套管41施加力时，可在使密封夹持板44向内侧中心移动贴紧钻杆实现密封，在夹持板44移动过程中，夹持板44和密封套管41之间始终保持密封。

防护方法如下：

S1、更换钻杆时，通过传感器24可精确测量钻杆的位移量；

S2、钻杆到达预定位置，齿轮23转动带动辅助固定套25固定钻杆，便于后续安装钻杆；

S3、当钻杆就位后，根据实际需求切换调节阀33的切换口，灵活调节两组密封夹持板44的夹持力度和密封性；

S4、密封夹持板44夹持钻杆的过程中，始终和弹性密封环43贴紧，保证密封性；

S5、当需要进行检修时，可拆卸盖板12，然后控制调节阀的位置，灵活检测两组密封夹持板44的密封性，提高检修效率和质量。

工作原理如下：

该装置工作时，可以在安装更换钻杆时，驱动齿轮23转动，将位置传感器24的滚轮241贴紧钻杆，随钻杆滚动，测量出钻杆的位移量，使钻杆可以精确的安装，当钻杆到达预定位置后，驱动齿轮23反转，此时辅助固定套25和钻杆接触，辅助固定钻杆，便于钻杆安装。

当钻井作业时，液压系统3通过进油口311将液压油泵入调节块35，驱动柱塞头351伸出，挤压调节套42和钢芯422，由于密封套管41具有一定的弹性，因此密封夹持板44可以向内挤压抱紧钻杆实现密封，防止钻井液喷出损伤井上和井下的动力系统。

当需要检修或者发生特殊情况，需要调节两组密封夹持板44的密封程度时，可以驱动伸缩泵32，带动调节阀33沿调节孔313滑动，此时可以切换不同的切换口，当连通第一切换口332时，两组夹持板44具有相同的夹持力和密封性；当连通第二切换口333时，仅下方的夹持板44具有较强的夹持力和密封性；当连通第三切换口334时，仅上方的夹持板44具有较强的夹持力和密封性；当连通第四切换口335时，两组夹持板44具有不同的夹持力和密封性。

有益效果如下：

本发明设计的辅助定位机构2可以在钻杆移动时，精确测量钻杆的位移量，便于定位安装和更换钻杆，当钻杆达到预定位置时，可驱动齿轮23转动带动辅助固定套25固定钻杆，便于钻杆安装。

本发明设计的液压系统3设计有调节阀33，通过调节阀可以切换两组密封夹持板44的密封性，便于检修和后期应对各种复杂工况。

本发明设计的液压系统3和密封机构4配合，和传统的密封机构相比实现了两组弹性密封环43的主动密封，且采用出油管26和进油管34输送液压油，大大提高了该装置的密封性和安全性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种连续循环式钻井动力系统防护装置，包括机架(1)、辅助定位机构(2)、液压系统(3)和密封机构(4)，其特征在于，所述机架(1)包括防护壳(11)，防护壳(11)上下表面设置有固定板(13)，固定板(13)上开有第一通孔(131)，第一通孔(131)两侧设置有两个对称分布的螺栓(132)，固定板(13)下表面设置有定位密封环(133)，定位密封环(133)外侧设置有若干圆周分布的限位凸台(1331)，防护壳(11)前后两侧设置有可以拆卸的盖板(12)，防护壳(11)内部设置有两个平行分布的固定套(14)，固定套(14)固定在防护壳(11)内壁，下方的固定板(13)下表面固定有密封套(15)。

2.根据权利要求1所述的一种连续循环式钻井动力系统防护装置，其特征在于，所述辅助定位机构(2)包括设置在上方固定板(13)上表面的底座(21)，两个底座(21)沿第一通孔(131)对称分布，底座(21)内开有凹槽(211)，凹槽(211)上下面均设置有滑槽(212)，滑槽(212)内滑动设置有齿条(22)，两个齿条(22)之间设置有齿轮(23)，上方的齿条(22)靠近第一通孔(131)的一端固定有位置传感器(24)，位置传感器(24)末端转动连接有滚轮(241)，下方的齿条(22)靠近第一通孔(131)的一端固定有辅助固定套(25)。

3.根据权利要求1所述的一种连续循环式钻井动力系统防护装置，其特征在于，所述液压系统(3)包括设置在防护壳(11)右侧面的进油阀体(31)，进油阀体(31)远离防护壳(11)的侧面开有进油口(311)，进油阀体(31)右侧面下部开有贯穿进油阀体(31)的第一连通口(312)，进油阀体(31)右侧面上部开有贯穿进油阀体(31)的第二连通口(314)，进油阀体(31)右侧面中部开有连通进油口(311)的调节孔(313)，调节孔(313)内设置有调节阀(33)，调节孔(313)外部设置有伸缩泵(32)，伸缩泵(32)输出端和调节阀(33)固定连接，第一连通口(312)和第二连通口(314)通过调节阀(33)和进油口(311)连通。

4.根据权利要求3所述的一种连续循环式钻井动力系统防护装置，其特征在于，所述调节阀(33)正对进油口(311)的位置开有四个线性分布的调节进油口(331)，调节阀(33)和进油口(311)垂直的位置从右向左依次开有第一切换口(332)、第二切换口(333)，第三切换口(334)和第四切换口(335)，且四个切换口各对应一个调节进油口(331)。

5.根据权利要求4所述的一种连续循环式钻井动力系统防护装置，其特征在于，所述第一切换口(332)贯穿调节阀(33)和第一连通口(312)、第二连通口(314)连通；第二切换口(333)和第一连通口(312)连通；第三切换口(334)和第二连通口(312)连通，第四切换口(335)贯穿调节阀(33)和第一连通口(312)、第二连通口(314)连通，第四切换口(335)内设置有溢流阀(336)。

6.根据权利要求3所述的一种连续循环式钻井动力系统防护装置，其特征在于，所述第一连通口(312)和第二连通口(314)均连接有进油管(34)，进油管(34)贯穿防护壳(11)，进油管(34)远离进油阀体(31)的一端连接有调节块(35)，调节块(35)倾斜设置，调节块(35)外侧面设置有倾斜向下的柱塞头(351)，调节块(35)远离进油管(34)的一侧连通有出油管(36)，出油管(36)贯穿防护壳(11)，出油管(36)远离调节块(35)的一端连接有出油阀体(37)，出油阀体(37)和外界液压循环系统连通。

7.根据权利要求1所述的一种连续循环式钻井动力系统防护装置，其特征在于，所述密封机构(4)包括密封套管(41)，密封套管(41)上下端面均开有两个对称分布的螺纹孔(411)，螺纹孔(411)和螺栓(132)配合，密封套管(41)开有内腔(413)，密封套管(41)上下端面均开有密封槽(412)，密封槽(412)内壁开有若干圆周分布的限位槽(4121)，限位槽(4121)和限位凸台(1331)配合，内腔(413)内壁开有两个环形槽(4131)，环形槽(4131)上下面均设置有弹性密封环(43)，弹性密封环(43)之间设置有两个对称分布的密封夹持板(44)，密封夹持板(44)的外径大于内腔(413)内径，密封夹持板(44)外径小于环形槽(4131)内径。

8.根据权利要求7所述的一种连续循环式钻井动力系统防护装置，其特征在于，所述密封夹持板(44)远离内腔(413)的一侧开有半圆孔(441)，密封夹持板(44)上表面固定有倾斜设置的调节套(42)，调节套(42)内部开有安装腔(421)，安装腔(421)内部设置有钢芯(422)，调节套(42)和密封套管(41)利用密封胶连接在一起。

9.一种连续循环式钻井动力系统防护装置的防护方法，由权利要求1-8任一项所述的一种连续循环式钻井动力系统防护装置执行，其特征在于，所述防护方法如下：

S1、更换钻杆时，通过传感器(24)可精确测量钻杆的位移量；

S2、钻杆到达预定位置，齿轮(23)转动带动辅助固定套(25)固定钻杆，便于后续安装钻杆；

S3、当钻杆就位后，根据实际需求切换调节阀(33)的切换口，灵活调节两组密封夹持板(44)的夹持力度和密封性；

S4、密封夹持板(44)夹持钻杆的过程中，始终和弹性密封环(43)贴紧，保证密封性；

S5、当需要进行检修时，可拆卸盖板(12)，然后控制调节阀的位置，灵活检测两组密封夹持板(44)的密封性，提高检修效率和质量。

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