CN114622853A - 干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置和方法，所述一键式循环切换装置包括第一管线、第二管线、第三管线、第四管线、第五管线、第六管线、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀、第二调压阀、循环介质入口、正循环接头、侧循环接头和泄压接头。所述干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换方法通过一键式循环切换装置来实现，且所述方法包括对干气体和雾化连续循环钻井的正循环过程、侧循环过程、正循环转侧循环过程、侧循环转正循环过程进行控制。本发明的有益效果可包括：提供一种干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置和方法，避免了因循环中断、压力波动大引起的井下复杂情况。

Description

干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置和方法

技术领域

本发明涉及石油钻井装置技术领域，具体地，涉及一种干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置和方法。

背景技术

目前，在石油钻井接单根(立柱)或起下钻过程中，须停止钻井液的循环，将对井底产生负压力激动，可能造成井底压力低于地层孔隙压力而导致井涌、气侵、井壁坍塌和阻卡埋钻具等事故。而接单根(立柱)完后重新开泵，将引起正压力激动使得井底压力高于正常循环时的压力，甚至于超过地层破裂压力而造成压裂漏失和压差卡钻等问题，同时造成井身质量下降，给后续作业特别是下套管固井带来许多潜在困难。

而在干气体和雾化钻井过程中，气体快速冲刷，井壁不规则，大肚子井眼较多，中断循环后，岩屑快速沉降，将会引起埋钻具、卡钻等事故，特别是在沉砂较多地层，危害更大。在轻微出水地层，中段循环后，地层水聚集，浸泡井壁，严重可能引起井壁失稳，进而造成气体钻井失败。在深层井段雾化钻井，中段循环后，建立循环压力平稳时间较长，时效降低。

连续循环钻井技术打破这一传统方式，在接单根(立柱)、起下钻过程中，保持钻井介质连续循环，持续清洁井底，维持井底压力相对稳定，可避免因循环中断引发的一切井下复杂和事故。特别是在干气体和雾化钻井工艺情况下，保持循环介质连续循环，持续悬浮岩屑，避免了因沉砂沉降引起的埋钻具、卡钻等复杂事故，同时，这项工艺能有效延长沉砂较多、微量出水地层空气钻井进尺。

连续循环钻井技术主要采用连续循环系统和连续循环阀两种方式。其中，连续循环阀控制方式预先将连续循环阀配在单根(立柱)顶端，钻完上一个带有连续循环阀的单根(立柱)，连接侧循环管线至连续循环阀侧阀，进行侧向循环通道切换，待单根(立柱)接卸完毕后再进行正向倒换，实现了在起下钻、接单根(立柱)过程中循环介质不中断的钻井工艺。但在单根(立柱)接好后，水龙头、接入单根(立柱)水眼未充满循环介质，在侧向循环倒换正向循环时，需要一定时间去充满正向循环管线(水龙头、接入立柱)，才会达到压力平衡，最终结果会使得连续循环被中断，井底压力波动大，严重时，还会造成井下复杂；同理，在正向循环倒侧向循环时需要一定时间让侧向循环管线充满循环介质。

此外，现有的连续循环地面控制系统较为操作复杂，操作手柄与闸阀是一一对应关系，需要对工艺原理有一定理解专业人士进行操作。在现场实际使用过程中，常出现过因误操作而导致伤人、蹩压的事故，存在安全隐患。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种能够适用于干气体和雾化连续循环钻井且结构简单的一键式循环切换装置。本发明的另一目的在于提供一种适用于干气体和雾化连续循环钻井且操作简单、安全性高的一键式循环切换方法。

本发明一方面提供了一种干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置。所述一键式循环切换装置包括第一管线、第二管线、第三管线、第四管线、第五管线、第六管线、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀、第二调压阀、循环介质入口、正循环接头、侧循环接头、泄压接头和一键式切换控制台，其中，所述第一管线一端与所述循环介质入口连接，另一端与所述正循环接头连接；所述第二管线一端与所述循环介质入口连接，另一端与所述侧循环接头连接；所述第三管线一端与所述正循环接头连接，另一端与所述泄压接头连接；所述第四管线一端与所述侧循环接头连接，另一端与所述泄压接头连接；所述第一控制阀设置在第一管线上，所述第二控制阀设置在第二管线上，所述第三控制阀设置在第三管线上，所述第四控制阀设置在第四管线上；所述第五管线一端与第二管线位于循环介质入口与第二控制阀之间的部分管线连通，另一端与第三管线位于正循环接头与第三控制阀之间的部分管线连通；所述第一调压阀设置在第五管线上；所述第六管线一端与第五管线位于第二管线和第一调压阀之间的部分管线连通，另一端与第四管线位于侧循环接头与第四控制阀之间的部分管线连通；所述第二调压阀设置在第六管线上；所述一键式切换控制台通过液压控制管线分别与第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀连接，以控制第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀的开断进行循环切换作业。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述一键式切换控制台能够自动读取正循环过程压力和侧循环过程压力。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述第一控制阀和第二控制阀可为平板闸阀，所述第三控制阀和第四控制阀可为节流阀，所述第一调压阀和第二调压阀可为节流阀。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀可均具有液控与机械控制两种方式，在液控失效的情况下能够采用手动控制方式进行开断。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述一键式循环切换装置还包括不间断循环接头，所述不间断循环接头包括短接单元和移动对接单元，其中，短接单元包括上连接体、下连接体、离合装置、第一入口单向阀和第二入口单向阀，上连接体和下连接体自上而下转动连接，且两者都具有中空的轴向腔体，两者的轴向腔体相互连通，上连接体的侧壁上还开设有贯通的侧方连接口；离合装置套设在上连接体和/或下连接体，并能够使上连接体与下连接体之间保持相对转动或同步转动；第一入口单向阀设置在上连接体朝上的开口内，第二入口单向阀设置在上连接体的侧方连接口内；移动对接单元包括侧方连接机构，侧方连接机构包括侧方连接头，侧方连接头的前端与侧方连接口相适配并能够插入到侧方连接口中，后端具有与钻井循环介质管道对接的接口，侧方连接头还具有将所述前端和所述后端连通的中空的腔体；所述正循环接头通过管路与所述第一入口单向阀连接，所述侧循环接头通过管路与所述第二入口单向阀连接。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述移动对接单元还包括移动座，所述侧方连接机构位于移动座上；所述侧方连接机构包括中空电机和紧固套，所述中空电机的旋转输出孔保持水平，所述紧固套固定于中空电机的旋转输出孔内，紧固套套设在所述侧方连接头上，并且紧固套的前端位于中空电机之外。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述侧方连接机构还包括扭力限制器、旋转台和升降结构，其中，所述扭力限制器固定于中空电机的旋转输出孔内，所述紧固套与扭力限制器的内腔适配连接，紧固套套设在所述侧方连接头上，并且紧固套的前端位于中空电机之外；所述紧固套的前端与所述侧方连接口相适配，并能够旋入所述侧方连接口；所述旋转台能够在水平面进行旋转，且其台面上固定有所述中空电机；升降结构位于旋转台和所述移动座之间，并能够调整旋转台和所述移动座之间的竖直距离。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述离合装置包括花键套，所述上连接体与花键套接触的部分为第一花键轴，下连接体与花键套接触的部分为第二花键轴，第一花键轴和第二花键轴都与花键套相匹配，花键套能够在第一、第二花键轴上来回滑动，所述短接单元还包括能够将花键套与第一花键轴固定的第一固定件；所述上连接体包括自上而下依次连接的连接轴、离合轴、限位轴和转动轴，其中，连接轴的上端还能够与钻具连接，第一入口单向阀安装在连接轴朝上的开口内，第二入口单向阀安装在连接轴的侧壁上；离合轴为花键轴，且其径向尺寸小于连接轴的径向尺寸；限位轴的径向尺寸小于离合轴下端和转动轴上端的径向尺寸；所述下连接体具有上下相连通的上腔体和下腔体，上腔体的径向尺寸大于下腔体的径向尺寸，转动轴能够放置在上腔体中且两者之间转动连接。

本发明另一方面提供了一种干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换方法。所述方法通过如上任意一项所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置来实现，且所述方法包括步骤：将一键式切换控制台切换到自动控制状态，使“正循环-关-侧循环”按钮处于“关”的状态；将“正循环-关-侧循环”按钮从“关”切换到“正循环”状态，一键式切换控制台自动进行正循环操作，所述正循环操作包括步骤：开启第一控制阀，关闭第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀，介质流体从循环介质入口进入，经过第一管线后从正循环接头流出；将“正循环-关-侧循环”按钮从“关”切换到“侧循环”状态，一键式切换控制台自动进行侧循环操作，所述侧循环操作包括步骤：开启第二控制阀，关闭第一控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀，介质流体从循环介质入口进入，经过第二管线后从侧循环接头流出；将侧循环接头与侧循环管线连接好后，将“正循环-关-侧循环”按钮从“正循环”切换到“侧循环”状态，一键式切换控制台自动进行正循环转侧循环过程，所述正循环转侧循环过程包括以下步骤：开启第二调压阀向第二管线中泵注循环介质并读取第一管线压力和第二管线压力，至第二管线以及侧循环管线内填充满循环介质且第二管线内压力上涨至接近第一管线内压力，打开第二控制阀、关闭第二调压阀，建立侧循环通道；关闭第一控制阀切断正循环通道，打开第三控制阀泄压，泄压后关闭第三控制阀，完成正循环转侧循环的操作；将正循环接头与正循环管线连接好后，将“正循环-关-侧循环”按钮从“侧循环”切换到“正循环”状态，一键式切换控制台自动进行侧循环转正循环过程，所述侧循环转正循环过程包括以下步骤：开启第一调压阀向第一管线以及单根钻杆中泵注循环介质并读取第一管线压力和第二管线压力，至第一管线以及单根钻杆内填充满循环介质且第一管线内压力上涨至接近第二管线内压力，打开第一控制阀、关闭第一调压阀，建立正循环通道；关闭第二控制阀切断侧循环通道，打开第四控制阀泄压，泄压后关闭第四控制阀，完成侧循环转正循环的操作。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述第一调压阀和第二调压阀的压力调节范围可以为0～15Mpa。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述第二管线内压力上涨至接近第一管线内压力可为第二管线内压力值≥95％第一管线内压力值。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述正循环转侧循环或侧循环转正循环的压力波动范围可为0～0.5Mpa。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述打开第三控制阀泄压，泄压后关闭第三控制阀可包括待第一管线压力降为零10s后关闭第三控制阀。

在本发明另一方面的一个示例性实施例中，所述打开第四控制阀泄压，泄压后关闭第四控制阀可包括待第二管线压力降为零10s后关闭第四控制阀。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：本发明提供一种干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置和方法，该装置结构简单，便于制造和维护。在连续循环钻井过程中，确保循环介质不中断，解决切换过程中压力波动较大的问题，避免了因循环中断、压力波动大而引起的井下复杂情况。

附图说明

通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置的结构示意图；

图2示出了根据本发明一个示例性实施例的不间断循环接头的一个结构示意图；

图3示出了本发明的短接单元的一个结构示意图；

图4示出了本发明的短接单元的一个装配示意图；

图5示出了图2中A处的局部放大图；

图6示出了本发明的第一侧方接头的一个结构示意图；

图7示出了本发明的第二侧方接头的一个结构示意图。

附图标记如下：

1-第一管线、2-第二管线、3-第三管线、4-第四管线、5-第五管线、6-第六管线、7-第一控制阀、8-第二控制阀、9-第三控制阀、10-第四控制阀、11-第一调压阀、12-第二调压阀、13-液压控制管线、14-一键式切换控制台、A01-循环介质入口、A02-正循环接头、A03-泄压接头、A04-侧循环接头、16-上连接体，161-连接轴，1611-侧方连接口，162-离合轴，163-限位轴，1631-限位套，164-转动轴；17-下连接体，171-上腔体，172-下腔体，173-转动件安装孔，174-封堵销；18-离合装置；191-第一入口单向阀，192-第二入口单向阀；20-转动件；21-密封件；221-第一固定件，222-第二固定件；23-滚轮；24-支脚；25-移动座；401-中空电机，402-扭力限制器，403-紧固套，404-侧方连接头，405-旋转台，406-升降结构；50-控制柜；60-闸阀管汇撬体；70-集成箱；80-管道。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例和附图详细地描述本发明的一种干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置和方法。需要说明的是，“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”、“第六”、“第七”、“第八”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“上”、“下”、“左”、“右”仅仅为为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。

本发明一方面提供了一种干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置。

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置的结构示意图。

在本发明的第一示例性实施例中，如图1所示，干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置主要由第一管线1、第二管线2、第三管线3、第四管线4、第五管线5、第六管线6、第一控制阀7、第二控制阀8、第三控制阀9、第四控制阀10、第一调压阀11、第二调压阀12、液压控制管线13、一键式切换控制台14、循环介质入口A01、正循环接头A02、侧循环接头A04和泄压接头A03构成。

其中，第一管线1的一端与循环介质入口A01连接，第一管线1的另一端与正循环接头A02连接。第一管线1上还设置有第一控制阀7，通过第一控制阀7的开启和关闭来控制通过第一管线1中的介质流体。这里，第一控制阀7可以为平板阀。第二管线2的一端与循环介质入口A01连接，第二管线2的另一端与侧循环接头A04连接。第二管线2上还设置有第二控制阀8，通过第二控制阀8的开启和关闭来控制通过第二管线2中的介质流体。这里，第二控制阀8可以为平板阀。将第一控制阀和第二控制阀设置为平板阀是因为第一控制阀和第二控制阀主要起到截止、关断的作用，平板阀具有流阻小且平板闸阀的密封面能够自动定位，阀座密封面不会受到阀体热变形的损坏；而且即使阀门在冷状态下关闭，阀杆的热伸长也不会使密封面受到过载。如图1所示，第一管线1、第二管线2以及循环介质入口A01可通过第一矩形空腔连接。这里第一矩形空腔为采用法兰连接的三通接头，这样设置是为了增强抗高压能力。

第三管线3的一端与正循环接头A02连接，第三管线3的另一端与泄压接头A03连接。第三管线3上还设置有第三控制阀9，通过第三控制阀9的开启和关闭来对第一管线1中的循环介质流体进行泄压。第四管线4的一端与侧循环接头A04连接，第四管线4的另一端与泄压接头A03连接。第四管线4上还设置有第四控制阀10，通过第四控制阀10的开启和关闭来对第二管线2中的循环介质流体进行泄压。如图1中所示，第一管线1、第三管线3以及正循环接头A02可通过第二矩形空腔连接；第三管线3、第四管线4以及泄压接头A03可通过第三矩形空腔连接；第二管线2、第四管线4以及侧循环接头A04可通过第四矩形空腔连接。这里，第三控制阀9和第四控制阀10可为节流阀。将第三控制阀9和第四控制阀10设置为节流阀是因为这两个阀都是泄压阀，使用节流阀可以控制泄压的速度，保证泄压口的安全。

第五管线5的一端与第二管线2位于循环介质入口A01与第二控制阀8之间的部分管第二管线2连通，第五管线5的另一端与第三管线3位于正循环接头A02与第三控制阀9之间的部分第三管线3连通。在第五管线5上还设置有第一调压阀11，通过第一调压阀11的开启和关闭来控制通过第五管线5中的介质流体。如图1中所示，第二管线2与第五管线5的左端通过第五矩形空腔连接，第三管线3与第五管线5的右端通过第六矩形空腔连接。第六管线6一端与第五管线5位于第二管线2和第一调压阀11之间的部分第五管线5连通，第五管线5的另一端与第四管线4位于侧循环接头A04与第四控制阀10之间的部分第四管线4连通。在第六管线6上还设置有第二调压阀12，通过第二调压阀12的开启和关闭来控制通过第六管线6中的介质流体。如图1所示，第六管线6的上端通过第七矩形空腔与第五管线连通，第六管线6的下端通过第八矩形空腔与第四管线4连通。这里，第一调压阀11和第二调压阀12可为节流阀。这里，第一调压阀11和第二调压阀12设置为节流阀是因为这两个阀都是调压通道的开关阀，使用节流阀可以控制调压的速度，从而可以保证压力波动在0～0.5MPa范围内。如图1所示，一键式切换控制台14通过液压控制管线13分别与第一控制阀7、第二控制阀8、第三控制阀9、第四控制阀10、第一调压阀11和第二调压阀12连接，以控制第一控制阀7、第二控制阀8、第三控制阀9、第四控制阀10、第一调压阀11和第二调压阀12的开断进行循环切换作业。

在本示例性实施例中，如图1所示，一键式切换控制台14能够自动读取正循环过程压力(即第一管线1内压力)和侧循环过程压力(即第二管线2内压力)。第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀可均具有液控与机械控制两种方式，当自动或手动液压控制失效之后，可采用机械控制方式进行开断。

在本发明的第二示例性实施例中，所述一键式循环切换装置还可包括不间断循环接头，所述不间断循环接头包括短接单元和移动对接单元。此外，该不间断循环接头还可包括闸阀管汇撬体和控制柜，闸阀管汇撬体通过管道与侧方连接头的后端连接。例如，进一步地，控制柜和闸阀管汇撬体可共同设置在集成箱内，将有效节省工作空间。此外，不间断循环接头还可包括钻井平台，该接头的部分或全部可放置于钻井平台上。

短接单元包括上连接体、下连接体、离合装置、第一入口单向阀和第二入口单向阀，上连接体和下连接体自上而下转动连接，且两者都具有中空的轴向腔体，两者的轴向腔体相互连通，上连接体的侧壁上还开设有贯通的侧方连接口。例如，短接单元还可包括若干组转动件，转动件的组数与转动槽的数量相同并一一对应，每组转动件都能够安装到对应的转动槽中。例如，转动件可包括若干个钢珠、滚珠等。例如，短接单元还可包括若干个安装在转动轴上的密封件(例如，密封圈)，以实现上下连接体之间的密封。例如，上连接体上可设置有若干个安装孔，以实现上连接体和离合装置之间不同相对位置的固定。例如，转动轴的上端可以连接钻具，例如钻杆。例如，进一步地，转动轴上可开设有若干个第一环形槽，上腔体的内壁上开设有若干个第二环形槽，第一、第二环形槽的数量相同并一一对应，呈对应关系的第一、第二环形槽共同构成了转动槽。

离合装置套设在上连接体和/或下连接体，并能够使上连接体与下连接体之间保持相对转动或同步转动。第一入口单向阀设置在上连接体朝上的开口内，第二入口单向阀设置在上连接体的侧方连接口内。例如，离合装置可包括花键套，上连接体与花键套接触的部分为第一花键轴，下连接体与花键套接触的部分为第二花键轴，第一花键轴和第二花键轴都与花键套相匹配，花键套能够在第一、第二花键轴上来回滑动，短接单元还包括能够将花键套与第一花键轴固定的第一固定件(例如，定位钉)。例如，上连接体可包括自上而下依次连接的连接轴、离合轴、限位轴和转动轴，其中，连接轴的上端还能够与钻具连接，第一入口单向阀安装在连接轴朝上的开口内，第二入口单向阀安装在连接轴的侧壁上；离合轴为花键轴，且其径向尺寸小于连接轴的径向尺寸；限位轴的径向尺寸小于离合轴下端和转动轴上端的径向尺寸；下连接体具有上下相连通的上腔体和下腔体，上腔体的径向尺寸大于下腔体的径向尺寸，转动轴能够放置在上腔体中且两者之间转动连接。

移动对接单元包括侧方连接机构，侧方连接机构包括侧方连接头，侧方连接头的前端与侧方连接口相适配并能够插入到侧方连接口中，后端具有与钻井循环介质管道对接的接口，侧方连接头还具有将其前端和后端连通的中空的腔体。例如，移动对接单元还可包括移动座，侧方连接机构位于移动座上。例如，进一步地，移动座的底部直接或间接连接有滚轮，使得移动座能够全方位移动。

在本实施例中，侧方连接机构还可包括中空电机、扭力限制器和紧固套，其中，中空电机的旋转输出孔保持水平；扭力限制器固定于中空电机的旋转输出孔内；紧固套与扭力限制器的内腔适配连接；紧固套套设在侧方连接头上，并且紧固套的前端位于中空电机之外。这里，也就是说，扭力限制器与中空电机的旋转输出孔适配连接，通过中空电机的转动能够带动扭力限制器旋转。这里，例如，进一步地，紧固套的前端可与侧方连接口相适配，并能够旋入侧方连接口。例如，紧固套的前端设置有与侧方连接口相适配的外螺纹。例如，能够通过扭力限制器来控制其与紧固套配合的松紧程度，当输出扭力超过扭力限制器的最高输出扭力时，其内圈将发生打滑，降低机械传动效率，使得紧固套逐渐停止转动。这里，当扭力限制器带动紧固套旋转时，侧方连接头不受影响或影响很小，能够保持基本静止。这里，通过中空电机、紧固套和侧方连接头的适配，大大简化了侧循环管线的对接流程，降低了操作人员的数量，显著提升工作效率。例如，进一步地，侧方连接机构还可包括旋转台和升降结构，其中，旋转台能够在水平面进行旋转，且其台面上固定有中空电机；升降结构位于旋转台和移动座之间，并能够调整旋转台和移动座之间的竖直距离。例如，进一步地，升降装置可以为螺纹螺杆结构，螺杆的一端与旋转台活动连接，另一端与移动座上配置的螺纹孔适配，以此可实现旋转台的升降。

本实施例中，移动对接单元与短接单元的对接可通过中空电机带动紧固套旋入，显著提升了工作效率。同时，配合旋转台和升降结构，能够实现高度和角度的对准，有效简化了对接程序，耗时短，效率高。

在本实施例中，正循环接头通过管路与所述第一入口单向阀连接，侧循环接头通过管路与所述第二入口单向阀连接。

图2示出了根据本发明一个示例性实施例的不间断循环接头的一个结构示意图；图3示出了本发明的短接单元的一个结构示意图；图4示出了本发明的短接单元的一个装配示意图；图5示出了图2中A处的局部放大图；图6示出了本发明的第一侧方接头的一个结构示意图；图7示出了本发明的第二侧方接头的一个结构示意图。下文将结合图2～7来详细阐述下面的具体实施例。

如图2所示，在本示例性实施例中，钻具可旋转的连续循环钻井系统包括短接单元、移动对接单元、控制柜50、闸阀管汇撬体60、集成箱70和管道80。控制柜50和闸阀管汇撬体60位于集成箱70的内部。

如图3、图4所示，短接单元包括上连接体16、下连接体17、离合装置18、第一入口单向阀191和第二入口单向阀192，上连接体16和下连接体17的轴向腔体相互连通。上连接体16从上至下包括：连接轴161、离合轴162、限位轴163以及转动轴164。连接轴161的壁上还开设有侧方连接口1611。转动轴164的上端可以连接钻具，例如钻杆。离合轴162可以为花键轴，离合轴162可以与离合装置18相适配。离合轴162的外径可以小于连接轴161的外径，限位轴163上可以套设有限位套1631，限位轴163的外径可小于离合轴162的外径和转动轴164的外径。

下连接体17可具有相互接通的上腔体171与下腔体172，下腔体172的径向尺寸小于上腔体171的径向尺寸。下连接体17与离合装置18接触的部可为花键轴。

离合装置18套设在上连接体16和下连接体17，这样就能够使上连接体16与下连接体17之间保持同步转动。离合装置18可套设在上连接体16，这样就能够使上连接体16与下连接体17之间保持相对转动。离合装置18可包括花键套，更改离合装置18的状态能够实现不同转动方式。

第一入口单向阀191和第二入口单向阀192可以安装在上连接体16上的不同位置；第一入口单向阀191可安装在上连接体16的轴向腔体超上的开口内，第二入口单向阀192可安装在侧方连接口1611内。

转动轴的外壁上设置有多个第一环形槽，下连接体的上腔体的内壁中可设置有多个第二环形槽，两种环形槽数量相等且相互一一对应，转动槽由相互对应的两种环形槽构成。转动轴上可安装有多个密封件21，以实现上下连接体之间的密封。密封件21可包括密封圈。

短接单元还可包括多组转动件20，转动件20与转动槽的数量相等，每一个转动槽中安装一组转动件20。转动件20可包括若干个钢珠、滚珠等。

下连接体上还设置有多个转动件安装孔173以及多个封堵销174。其中，转动件安装孔173的数量与第二环形槽的数量相同并一一对应，每个转动件安装孔173都与对应的第二环形槽之间相互连通，封堵销174的数量与转动件安装孔173的数量相同且一一对应，封堵销174能够对对应的转动件安装孔173进行封堵。

限位套1631可以是双层结构，自内而外可包括石墨轴承套与壳体，两者固定连接，壳体与下连接体固定连接。

上连接体上可设置有若干个安装孔，以实现上连接体和离合装置之间不同相对位置的固定。上连接体16和离合装置18之间可以通过第一固定件221连接。限位套1631可以通过第二固定件222固定在下连接体17上。第一固定件221和第二固定件222都可包括螺栓、螺钉、定位钉等部件。

如图2、5、6、7所示，移动对接单元包括从下往上依次配置的滚轮23、支脚24、移动座25和侧方连接机构。移动座25的底部通过支脚24固定连接有滚轮23，该滚轮23为活动滚轮，能够全方位无死角的移动。

侧方连接机构包括中空电机401、扭力限制器402、紧固套403、侧方连接头404、旋转台405和升降结构406。升降结构406为螺纹螺杆结构，在移动座25上配置有与螺杆适配的螺纹，在旋转台405的底部中心处配置有沉孔，使得旋转台405与螺杆活动连接。旋转台405放置于升降结构406的螺杆上，使其能够绕着螺杆自由转动。中空电机401固定连接在旋转台405上，扭力限制器402与中空电机401同轴并与中空电机401的输出孔连接。紧固套403与扭力限制器402的内腔适配连接，右端具有与短接单元对接的外螺纹。中空的侧方连接头404套设在紧固套403的内腔中，且左端具有与管道80对接的接口。

将正循环接头通过管路与所述第一入口单向阀连接，侧循环接头通过管路与所述第二入口单向阀连接既可进行循环切换转换操作。

在本示例性实施例中，不间断循环接头的使用方法包括以下步骤：

工作时，在正常钻进的时候，花键套与上连接体和下连接体相配合，上连接与下连接体同步转动，钻井循环介质从第一入口单向阀进入；

在需要拆装钻杆、上扣、卸扣和起下钻时，将钻杆的转动停止。推动已经安装完成的移动对接单元至短接单元附近，通过升降结构调整旋转台的高度，并利用自身的可旋转性调整角度，使得侧方连接头对准侧方连接口。启动中空电机，通过紧固套的外螺纹与侧方连接口进行对接。当扭力达到扭力限制器的最大扭应力时，紧固套逐渐停止旋入，完成对接，使钻井循环介质从第二入口单向阀进入，并关闭第一入口单向阀进入的钻井循环介质。

将花键套向远离下连接体的方向移动，将花键套只与上连接体离合轴相啮合，并用定位钉将花键套固定在上连接体上的位置。在钻杆上坐入卡瓦，利用转盘带动钻杆旋转，由于此时上连接体与下连接体为离合状态，可以互相转动，此时位于井眼的钻柱能够在转盘的带动下转动，同时钻进介质也能够正常的循环。在需要拆装钻杆的情况下，直接将上连接体连接的钻杆拆下，或者在上连接体上连接钻杆。

在转盘带动钻杆旋转时，上连接体需要用固定支撑架固定，固定支撑架可以设计为V型铁式的支撑，在支撑座上固定设置一个与上连接体外圆相匹配的V型支撑，并在V型支撑上设置一个与V型支撑相扣合的V型盖板，V型支撑一端与V型盖板相铰接，V型支撑另一端设置螺钉，通过螺钉与V型盖板可拆卸连接。

本发明另一方面提供了一种干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换方法。

在本发明的第三示例性实施例中，干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换方法可通过上述第一示例性实施例的用于气体连续循环钻井的一键式循环切换装置来实现，且所述方法包括步骤：

将一键式切换控制台切换到自动控制状态，使“正循环-关-侧循环”按钮处于“关”的状态。本发明的一键式切换控制台设计了自控与手控方式，自控方式设计了各闸阀的开启顺序与开启过程。可以通过自控方式实现正循环与侧循环一键式相互倒换，在倒换操作中，只需要在控制面板上按下正循环按钮或侧循环按钮，就可以实现循环介质流道转换，操作简单、可靠。具体来讲，将一键式切换控制台的“自控-关-手控”按钮、“正循环-关-侧循环”按钮置于“关”的位置后，启动总电源，将“自控-关-手控”按钮从“关”旋转到“自控”，各闸阀状态保持不变，自控指示灯亮，手控指示灯灭，手控无效。

将“正循环-关-侧循环”按钮从“关”切换到“正循环”状态，一键式切换控制台自动进行正循环操作，所述正循环操作包括步骤：开启第一控制阀，关闭第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀，介质流体从循环介质入口进入，经过第一管线后从正循环接头流出；具体来讲，如图1所示，需要进行正循环时，将“正循环-关-侧循环”按钮从“关”切换到“正循环”状态，正循环指示灯亮，侧循环指示灯灭，一键式切换控制台14控制开启第一控制阀7，关闭第二控制阀8、第三控制阀9、第四控制阀10、第一调压阀11和第二调压阀12，干气体和雾化气体等循环介质从循环介质入口A01流入，经过第一管线1和第二矩形空腔后从正循环接头A02口流出，进入正循环管线中进行正循环。

将“正循环-关-侧循环”按钮从“关”切换到“侧循环”状态，一键式切换控制台自动进行侧循环操作，所述侧循环操作包括步骤：开启第二控制阀，关闭第一控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀，介质流体从循环介质入口进入，经过第二管线后从侧循环接头流出。具体来讲，如图1中所示，在需要进行侧循环时，将“正循环-关-侧循环”按钮从“关”切换到“正循环”状态，侧循环指示灯亮，正循环指示灯灭，一键式切换控制台14控制开启第二控制阀8，关闭第一控制阀7、第三控制阀9、第四控制阀10、第一调压阀11和第二调压阀12，干气体和雾化气体等循环介质从循环介质入口A01流入，经过第二管线2和第四矩形空腔后从侧循环接头A04口流出，进入侧循环管线中进行侧循环作业。

将侧循环接头与侧循环管线连接好后，将“正循环-关-侧循环”按钮从“正循环”切换到“侧循环”状态，一键式切换控制台自动进行正循环转侧循环过程，所述正循环转侧循环过程包括以下步骤：开启第二调压阀向第二管线中泵注循环介质并读取第一管线压力和第二管线压力，至第二管线以及侧循环管线内填充满循环介质且第二管线内压力上涨至接近第一管线内压力，打开第二控制阀、关闭第二调压阀，建立侧循环通道；关闭第一控制阀切断正循环通道，打开第三控制阀泄压，泄压后关闭第三控制阀，完成正循环转侧循环的操作。例如，所述第二调压阀的压力调节范围可以为0～15Mpa。具体来讲，如图1所示，将侧循环管线一端与侧循环接头A04连接，另一端与钻台面侧循环接口(例如，连续循环阀)连接好后，将“正循环-关-侧循环”按钮从“正循环”切换到“侧循环”状态，侧循环指示灯亮，正循环指示灯灭，一键式切换控制台14控制开启第一调压阀11，向第二管线2以及侧循管线内泵注循环介质至填充满，泵注过程中读取第一管线1和第二管线2的压力数值，当第二管线2中的压力上涨至接近第一管线1中的压力时，开启第二控制阀8、和第二调压阀12，建立侧循环通道。这里，第二管线2内压力上涨至接近第一管线1内压力可为当第二管线内压力值≥95％第一管线内压力值。第二调压阀12的开度随着第一管线的压力值不同需要进行不同的延时。表1中给出了不同正循环压力范围对应第二调压阀开度以及延时的关系。

表1不同正循环压力范围对应第二调压阀开度以及延时

由表1中可知，当正循环压力(即第一管线内压力)P≤2.5MPa时，可直接开启第二调压阀；当正循环压力(即第一管线内压力)2.5＜P≤5MPa时，第二调压阀的开度(即阀口面积)分别为20％、40％、70％和100％时，对应的延时等待时间分别5s、3s、2s和2s。同理，当正循环压力5＜P≤10和P＞10，其对应的开度以及延时时间如表1中所示。这里，调压阀突然完全开启会造成压力波动较大，因此设置延时待待，减小压力波动，同时减小压力冲击。第二调压阀12关闭后，开启第二控制阀8，第二控制阀8的开启过程与表1中第二调压阀12开启过程一致，当第二控制阀8完全开启2s后，关闭第一控制阀7(直接关闭，不延时)。

开启第三控制阀9，泄放正向循环管线内压力，第三控制阀9开启过程与表1中第二调压阀12开启过程一致，待正循环管线内压力降为零10s后，关闭第三控制阀9。

此时，循环介质从循环介质入口A01进入调压切换装置，从侧循环接头A04流出进入连续循环阀，从而进入钻具水眼，正循环转侧循环完成。

将正循环接头与正循环管线连接好后，将“正循环-关-侧循环”按钮从“侧循环”切换到“正循环”状态，一键式切换控制台自动进行侧循环转正循环过程，所述侧循环转正循环过程包括以下步骤：开启第一调压阀向第一管线以及单根钻杆中泵注循环介质并读取第一管线压力和第二管线压力，至第一管线以及单根钻杆内填充满循环介质且第一管线内压力上涨至接近第二管线内压力，打开第一控制阀、关闭第一调压阀，建立正循环通道；关闭第二控制阀切断侧循环通道，打开第四控制阀泄压，泄压后关闭第四控制阀，完成侧循环转正循环的操作。例如，所述第一调压阀的压力调节范围可以为0～15Mpa。这里，第一管线内压力上涨至接近第二管线内压力可为第一管线内压力值≥95％第二管线内压力值。具体来讲，如图1中所示，在钻台面将侧循环管线与正循环接头A02连接完成后，将“正循环-关-侧循环”按钮从“侧循环”切换到“正循环”状态，正循环指示灯亮，侧循环指示灯灭，一键式切换控制台14控制开启第一调压阀11向第一管线以及正循环管线中泵注循环介质，泵注过程中读取第一管线1和第二管线2的压力数值，待第一管线的压力上涨至接近第二管线压力的95％或以上，关闭第一调压阀11，开启第一控制阀7建立正循环通道。这里，第一调压阀11的开度随着第二管线的压力值不同需要进行不同的延时。这里，上述一键式切换控制台14的自动控制过程可以通过PLC程序来实现。正循环管线包括水龙头(顶驱)和单根(立柱)。表2中给出了不同侧循环压力范围对应第一调压阀开度以及延时的关系。

表2不同侧循环压力范围对应第一调压阀开度以及延时

由表2中可知，当侧循环压力(即第二管线内压力)P≤2.5MPa时，可直接开启第一调压阀；当侧循环压力(即第二管线内压力)2.5＜P≤5MPa时，第一调压阀的开度(即阀口面积)分别为20％、40％、70％和100％时，对应的延时等待时间分别5s、3s、2s和2s。同理，当侧循环压力5＜P≤10和P＞10，其对应的开度以及延时时间如表2中所示。

第一调压阀11关闭后，开启第一控制阀7，第一控制阀7的开启过程与表1中第一调压阀11开启过程一致，当第一控制阀7完全开启2s后，关闭第二控制阀8(直接关闭，不延时)。

开启第四控制阀10，泄放侧向循环管线内压力，第四控制阀10开启过程与表2中第一调压阀开启过程一致，待侧循环管线内压力降为零10s后，关闭第四控制阀10。

此时，循环介质从循环介质入口A01进入调压切换装置，从正循环接头A02流出进入连续循环阀，从而进入钻具水眼，侧循环转正循环完成。

在本示例性实施例中，所述循环介质可包括干气起、雾化气体、泡沫和泥浆中至少一种。

在本例性实施例中，所述正循环转侧循环或侧循环转正循环的压力波动范围可为0～0.5Mpa。这里，现有循环切换装置进行正循环转侧循环或侧循环转正循环的压力波动范围通常为3～10Mpa，而采用本发明的循环切换装置进行正循环转侧循环或侧循环转正循环的压力波动范围仅为0～0.5Mpa，压力波动范围明显降低，从而大大降低了井下发生复杂情况的概率。

综上所述，本发明的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置和方法优点可包括：

(1)提供一种新的连续循环钻井的一键式循环切换装置，该装置结构简单，便于制造和维护；

(2)本发明的连续循环钻井的一键式循环切换装置不用额外增加压力补偿装置，节约成本，提高了经济效益；

(3)使用本发明的连续循环钻井的一键式循环切换装置进行连续循环钻井，能够使循环介质不中断，降低了切换过程中压力波动，避免了因循环中断、压力波动大而引起的井下复杂情况。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (14)

1.一种干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置，其特征在于，所述一键式循环切换装置包括第一管线、第二管线、第三管线、第四管线、第五管线、第六管线、第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀、第二调压阀、循环介质入口、正循环接头、侧循环接头、泄压接头和一键式切换控制台，其中，

所述第一管线一端与所述循环介质入口连接，另一端与所述正循环接头连接；

所述第二管线一端与所述循环介质入口连接，另一端与所述侧循环接头连接；

所述第三管线一端与所述正循环接头连接，另一端与所述泄压接头连接；

所述第四管线一端与所述侧循环接头连接，另一端与所述泄压接头连接；

所述第一控制阀设置在第一管线上，所述第二控制阀设置在第二管线上，所述第三控制阀设置在第三管线上，所述第四控制阀设置在第四管线上；

所述第五管线一端与第二管线位于循环介质入口与第二控制阀之间的部分管线连通，另一端与第三管线位于正循环接头与第三控制阀之间的部分管线连通；

所述第一调压阀设置在第五管线上；

所述第六管线一端与第五管线位于第二管线和第一调压阀之间的部分管线连通，另一端与第四管线位于侧循环接头与第四控制阀之间的部分管线连通；

所述第二调压阀设置在第六管线上；

所述一键式切换控制台通过液压控制管线分别与第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀连接，以控制第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀的开断进行循环切换作业。

2.根据权利要求1所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置，其特征在于，所述一键式切换控制台能够自动读取正循环过程压力和侧循环过程压力。

3.根据权利要求1所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置，其特征在于，所述第一控制阀和第二控制阀为平板闸阀，所述第三控制阀和第四控制阀为节流阀，所述第一调压阀和第二调压阀为节流阀。

4.根据权利要求1所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置，其特征在于，所述第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀均具有液控与机械控制两种方式，在液控失效的情况下能够采用手动控制方式进行开断。

5.根据权利要求1所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置，其特征在于，所述一键式循环切换装置还包括不间断循环接头，所述不间断循环接头包括短接单元和移动对接单元，其中，

短接单元包括上连接体、下连接体、离合装置、第一入口单向阀和第二入口单向阀，上连接体和下连接体自上而下转动连接，且两者都具有中空的轴向腔体，两者的轴向腔体相互连通，上连接体的侧壁上还开设有贯通的侧方连接口；离合装置套设在上连接体和/或下连接体，并能够使上连接体与下连接体之间保持相对转动或同步转动；第一入口单向阀设置在上连接体朝上的开口内，第二入口单向阀设置在上连接体的侧方连接口内；

移动对接单元包括侧方连接机构，侧方连接机构包括侧方连接头，侧方连接头的前端与侧方连接口相适配并能够插入到侧方连接口中，后端具有与钻井循环介质管道对接的接口，侧方连接头还具有将所述前端和所述后端连通的中空的腔体；

所述正循环接头通过管路与所述第一入口单向阀连接，所述侧循环接头通过管路与所述第二入口单向阀连接。

6.根据权利要求5所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置，其特征在于，所述移动对接单元还包括移动座，所述侧方连接机构位于移动座上；

所述侧方连接机构包括中空电机和紧固套，所述中空电机的旋转输出孔保持水平，所述紧固套固定于中空电机的旋转输出孔内，紧固套套设在所述侧方连接头上，并且紧固套的前端位于中空电机之外。

7.根据权利要求6所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置，其特征在于，所述侧方连接机构还包括扭力限制器、旋转台和升降结构，

其中，所述扭力限制器固定于中空电机的旋转输出孔内，所述紧固套与扭力限制器的内腔适配连接，紧固套套设在所述侧方连接头上，并且紧固套的前端位于中空电机之外；

所述紧固套的前端与所述侧方连接口相适配，并能够旋入所述侧方连接口；

所述旋转台能够在水平面进行旋转，且其台面上固定有所述中空电机；升降结构位于旋转台和所述移动座之间，并能够调整旋转台和所述移动座之间的竖直距离。

8.根据权利要求5所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置，其特征在于，所述离合装置包括花键套，所述上连接体与花键套接触的部分为第一花键轴，下连接体与花键套接触的部分为第二花键轴，第一花键轴和第二花键轴都与花键套相匹配，花键套能够在第一、第二花键轴上来回滑动，所述短接单元还包括能够将花键套与第一花键轴固定的第一固定件；

所述上连接体包括自上而下依次连接的连接轴、离合轴、限位轴和转动轴，其中，

连接轴的上端还能够与钻具连接，第一入口单向阀安装在连接轴朝上的开口内，第二入口单向阀安装在连接轴的侧壁上；

离合轴为花键轴，且其径向尺寸小于连接轴的径向尺寸；

限位轴的径向尺寸小于离合轴下端和转动轴上端的径向尺寸；

所述下连接体具有上下相连通的上腔体和下腔体，上腔体的径向尺寸大于下腔体的径向尺寸，转动轴能够放置在上腔体中且两者之间转动连接。

9.一种干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换方法，其特征在于，所述方法通过如权利要求1～8任意一项所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换装置来实现，且所述方法包括步骤：

将一键式切换控制台切换到自动控制状态，使“正循环-关-侧循环”按钮处于“关”的状态；

将“正循环-关-侧循环”按钮从“关”切换到“正循环”状态，一键式切换控制台自动进行正循环操作，所述正循环操作包括步骤：

开启第一控制阀，关闭第二控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀，介质流体从循环介质入口进入，经过第一管线后从正循环接头流出；

将“正循环-关-侧循环”按钮从“关”切换到“侧循环”状态，一键式切换控制台自动进行侧循环操作，所述侧循环操作包括步骤：

开启第二控制阀，关闭第一控制阀、第三控制阀、第四控制阀、第一调压阀和第二调压阀，介质流体从循环介质入口进入，经过第二管线后从侧循环接头流出；

将侧循环接头与侧循环管线连接好后，将“正循环-关-侧循环”按钮从“正循环”切换到“侧循环”状态，一键式切换控制台自动进行正循环转侧循环过程，所述正循环转侧循环过程包括以下步骤：

开启第二调压阀向第二管线中泵注循环介质并读取第一管线压力和第二管线压力，至第二管线以及侧循环管线内填充满循环介质且第二管线内压力上涨至接近第一管线内压力，打开第二控制阀、关闭第二调压阀，建立侧循环通道；

关闭第一控制阀切断正循环通道，打开第三控制阀泄压，泄压后关闭第三控制阀，完成正循环转侧循环的操作；

将正循环接头与正循环管线连接好后，将“正循环-关-侧循环”按钮从“侧循环”切换到“正循环”状态，一键式切换控制台自动进行侧循环转正循环过程，所述侧循环转正循环过程包括以下步骤：

开启第一调压阀向第一管线以及单根钻杆中泵注循环介质并读取第一管线压力和第二管线压力，至第一管线以及单根钻杆内填充满循环介质且第一管线内压力上涨至接近第二管线内压力，打开第一控制阀、关闭第一调压阀，建立正循环通道；

关闭第二控制阀切断侧循环通道，打开第四控制阀泄压，泄压后关闭第四控制阀，完成侧循环转正循环的操作。

10.根据权利要求9所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换方法，其特征在于，所述第一调压阀和第二调压阀的压力调节范围为0～15Mpa。

11.根据权利要求9所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换方法，其特征在于，所述第二管线内压力上涨至接近第一管线内压力为第二管线内压力值≥95％第一管线内压力值。

12.根据权利要求9所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换方法，其特征在于，所述正循环转侧循环或侧循环转正循环的压力波动范围为0～0.5Mpa。

13.根据权利要求9所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换方法，其特征在于，所述打开第三控制阀泄压，泄压后关闭第三控制阀包括待第一管线压力降为零10s后关闭第三控制阀。

14.根据权利要求9所述的干气体和雾化连续循环钻井的一键式循环切换方法，其特征在于，所述打开第四控制阀泄压，泄压后关闭第四控制阀包括待第二管线压力降为零10s后关闭第四控制阀。

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