CN114635662B - 能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的旋转防喷器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的旋转防喷器及系统，所述旋转防喷器包括壳体总成、旋转总成和钻井液回收引流装置，其中，壳体总成包括壳体、第一压力传感器和至少两组液缸锁紧组件，其中，壳体与井口环形防喷器固定密封连接，第一压力传感器能够检测壳体内部压力，至少两组液缸锁紧组件将旋转总成与壳体总成锁定；钻井液回收引流装置能够将泄漏的钻井液泵送到钻井液循环罐中；旋转总成设置在壳体总成中并能够相对壳体总成在沿其轴线旋转，且旋转总成能够将壳体总成内部通道封闭。本发明的有益之处在于：可以实现钻井液的集中回收，保护钻井环境安全，可远程判断胶芯的密封状态。

Description

能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的旋转防喷器及系统

技术领域

本发明涉及能源钻探技术领域，具体来讲，涉及一种能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的旋转防喷器及系统。

背景技术

目前，石油钻井已进入深井与超深井、海上深水与深层、复杂地面条件与复杂地层、页岩气、地热资源勘探开发等高难度、高风险钻探作业阶段，对钻井技术与安全提出了越来越高的要求。旋转防喷器是控压钻井的一项关键装备，大量应用于各大油田及各类欠平衡、气体钻井施工现场。

但是在海洋控压钻井技术服务中亟需一种新型环保旋转防喷器，满足海洋平台欠平衡钻井和控压钻井的需求。采用该种旋转防喷器可以提高井控及钻井性能，满足海洋钻井环境的需求。同时陆地钻井使用该型旋转防喷器，可以代替防溢伞，满足环保钻井需求。

现有产品在欠平衡钻井和控压钻井过程中，主要通过三种方式发现旋转防喷器胶芯密封失效。第一、操作者定期巡岗，存在发现不及时的问题；第二、作业者发现井口无法憋压的情况下检查确认胶芯是否失效；第三、循环罐液面降低，检查确认胶芯是否失效，上述三种方式均存在发现滞后，且上下胶芯均失效的情况下才能发现。在陆地，在旋转防喷器下端安装了一个挡泥伞，将跑失的钻井液收集引入方井，而在海上作业，漏失的钻井液直接漏入海里，造成环境污染。这些方式人为因素影响太大，胶芯磨损状况难于实时监测，磨损后的胶芯直接影响到密封效果，存在安全隐患，一旦控压作业过程中胶芯失效，将可能导致严重的安全事故。并且现有两半式卡箍连接的旋转防喷器、旋转总成的驱动方式和液控装置的控制方式，拆开旋转总成更换胶芯过程中，都会导致钻井液漫流至钻井平台，甚至井口装置上，严重影响作业环境。

专利申请号为“CN106639961A”、名称为“欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器”公开了由旋转总成和壳体两部分组成，旋转总成通过密封圈安装在壳体上，整体构成了欠平衡钻井环保密闭式旋转防喷器；壳体的壳体本体上有两个间隔150度的凹槽，旋转总成外壳上同样有两个间隔150度的凸台，这样就保证了壳体和旋转总成之间安装角度的唯一性，密封圈密封住旋转总成和壳体之间的密封面。该装置能够将钻杆从井内带出的泥浆密封在旋转防喷器的内部，从而避免了泥浆掉落在井口，有效的保护了井口周围的环境。但是该设备只能在一定程度上实现环保，不能远程监测胶芯状态，并且采用手动操作锁紧，压力级别有限，现场操作时劳动量很大。

因此有必要设计一种新型旋转防喷器，能够将溢流出的流体从钻台导流出去，解决钻井液漫流的难题，确保了安全而有效的控压钻井作业。同时，在欠平衡钻井和控压钻井过程中，胶芯是钻井作业安全施工的重要保障，由于胶芯磨损状况，磨损后的胶芯直接影响到密封效果，对胶芯的失效形式及机制进行分析，以期能远程知晓胶芯状态，增加控压钻井作业施工的安全性和降低劳动强度。

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，本发明一方面提供一种能够防止钻井液漫流、远程监控胶芯状态的具有自锁紧功能的旋转防喷器。又如，本发明另一方面提供一种能够防止钻井液漫流、远程监控胶芯状态的具有自锁紧功能的旋转防喷器系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，所述旋转防喷器包括壳体总成、旋转总成和钻井液回收引流装置，其中，

所述壳体总成包括壳体、第一压力传感器和至少两组液缸锁紧组件，其中，

所述壳体的下端与井口环形防喷器固定密封连接，所述第一压力传感器能够检测所述壳体内部的压力，所述至少两组液缸锁紧组件沿壳体周向均匀设置在壳体总成上，所述液缸锁紧组件能够对所述旋转总成施加径向作用力将旋转总成与壳体总成锁定；

所述钻井液回收引流装置包括钻井液收集筒和排浆泵，所述钻井液收集筒的下端与所述壳体的上端固定密封连接，所述排浆泵能够将所述钻井液收集筒中的钻井液泵送到钻井液循环罐中；

所述旋转总成包括旋转总成壳体、上部旋转总成和下部旋转总成，其中，

所述旋转总成壳体设置在所述壳体中且旋转总成壳体外壁与壳体内壁之间形成密封；

所述上部旋转总成包括上部胶芯壳体、第二压力传感器和上部胶芯组件，所述上部胶芯壳体下端与所述下部旋转总成固定密封连接，所述上部胶芯组件将所述上部胶芯壳体上端密封；

所述下部旋转总成包括中心管、上部密封组件、下部密封组件、轴承组件和下部胶芯组件，所述中心管设置在所述旋转总成壳体中，在中心管外壁与旋转总成壳体内壁之间形成有环形空腔；

从上到下，所述上部密封组件、轴承组件和下部密封组件设置在所述环形空腔中；

所述下部胶芯组件设置在所述中心管下端将中心管下端密封。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述旋转防喷器还可包括上冷却水循环单元，所述上冷却水循环单元包括上冷却水进口，上冷却水出口和上部冷却循环水腔，其中，

所述上部冷却循环水腔与所述中心管的上部接触或靠近，所述上冷却水进口和上冷却水出口分别设置在所述壳体上且与所述上部冷却循环水腔连通，以对所述下部旋转总成的上部进行冷却。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述旋转防喷器还可包括下冷却水循环单元，所述下冷却水循环单元包括下冷却水进口、下冷却水出口和下部冷却循环水腔，其中，

所述下部冷却循环水腔与所述中心管的下部接触或靠近，所述下冷却水进口和下冷却水出口分别设置在所述壳体上且与所述下部冷却循环水腔连通，以对所述下部旋转总成的下部进行冷却。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述旋转防喷器还可包括润滑油注入口，所述润滑油注入口设置在所述壳体上并能够向所述环形空腔中注入润滑油，所述润滑油的注入压力比井口压力高0.1～0.2MPa。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述至少两组液缸锁紧组件可包括2～6组液缸锁紧组件。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述液缸锁紧组件可包括液缸和锁定轴，所述液缸固定设置在所述壳体上，所述锁定轴设在所述液缸中，所述壳体上设置有供锁定轴穿过的通孔，所述旋转总成壳体上设置与所述锁定轴作用的接触面，所述液缸推动所述锁定轴在所述通孔中移动与所述接触面作用将旋转总成与壳体总成锁紧。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述液缸可包括主液缸、辅助液缸、主液缸位移传感器和辅助液缸位移传感器，其中，

所述主液缸设置在所述壳体上，所述辅助液缸设置在所述主液缸上，所述主液缸位移传感器能够检出主液缸的位移量，所述辅助液缸位移传感器能够检出辅助液缸的位移量；

所述液缸还包括调节阀，所述调节阀能够调节锁定轴的位移量。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述液缸锁紧组件上还可设置有高压清洗喷水孔，所述高压清洗喷水孔设置在锁定轴上，所述高压清洗喷水孔能够对所述接触面进行清洗使接触面保持清洁。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述旋转总成壳体可包括从上到下固定连接上轴承盖体、旋转总成外壳和下轴承盖体，其中，

所述旋转总成外壳的内径大于所述上轴承盖体和下轴承盖体的内径；

所述中心管上外壁设置有向外突出的限位台阶，所述轴承组件包括上轴承组件和下轴承组件；

所述上轴承组件作用在上轴承盖体下端面和限位台阶上端面之间，所述下轴承组件作用在下轴承盖体上端面和限位台阶下端面之间。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述上部冷却循环水腔可设置在所述上密封组件中，所述上部密封组件包括上密封衬套、上支撑环和上部轴承压盖，其中，所述上密封衬套套设在所述中心管外壁上并与中心管外壁和旋转总成壳体内壁形成密封，所述上支撑环套设在所述上密封衬套外壁与旋转总成壳体内壁之间并形成密封，所述上部冷却循环水腔形成在所述上支撑环中，所述上部承轴压盖作用在所述上部支撑环下端面和轴承组件上端面之间。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述下部冷却循环水腔可设置在所述下密封组件中，所述下部密封组件包括下密封衬套、下支撑环和下部轴承压盖，其中，所述下密封衬套套设在所述中心管外壁上并与中心管外壁和旋转总成壳体内壁形成密封，所述下支撑环套设在所述下密封衬套外壁与旋转总成壳体内壁之间并形成密封，所述下部冷却循环水腔形成在所述下支撑环中，所述下部承轴压盖作用在所述下支撑环上端面和轴承组件下端面之间。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述第一压力传感器可通过连接法兰与所述壳体内部连通。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述第二压力传感器可包括压力传感器电源、压力传感器主机和压力传感器信号中转站，其中，

所述压力传感器电源和压力传感器主机设置在所述上部旋转总成中，压力传感器电源为压力传感器主机供电；

所述压力传感器主机能够测量旋转总成内部的压力并转换为无线信号；

所述压力传感器信号中转站固定设置在所述钻井液收集筒上并能够接收压力传感器主机输出的无线信号。

所述压力传感器信号中转站固定在钻井液收集筒外端，不会跟随旋转总成一起转动。

所述压力信号传感器主机和所述压力传感器电源对称设置在旋转防喷器内部，将跟随旋转总成一起转动。

在本发明一方面的一个示例性实施例中，所述轴承组件可包括上滚针轴承、上推力滚子轴承、下推力滚子轴承和下滚针轴承，所述上滚针轴承设置在所述上部密封组件和上推力滚子轴承之间，所述下推力滚子轴承设置在所述上推力滚子轴承之下，所述下滚针轴承设置在所述下推力滚子轴承和下部密封组件之间。

本发明另一方面提供了一种能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器系统，所述旋转防喷器系统可包括如上任意一项所述的旋转防喷器，还包括液压控制装置和数据采集与控制单元，所述液压控制装置与所述液压锁紧组件相连为液压锁紧组件提供动力，所述数据采集与控制单元与所述旋转防喷器相连对旋转防喷器进行控制。

与现有技术相比，本发明的有益可包括以下内容中的至少一项：

(1)本发明的旋转防喷器系统，可以实现钻井液集中回收，满足环保要求；

(2)现场操作者可以远程判断胶芯是否密封失效，决策是否更换胶芯；液压锁紧装置远程控制，既可以保证安全的锁紧旋转总成，也可以有效的减轻操作者劳动强度，有效避免了操作者反复爬井口；

(3)在液压锁紧组件的每个锁定轴上都设置有喷水孔，在液压锁紧组件锁定轴伸缩前后都可以有效清洗接触面，可以清洁接触面，更有效的锁紧旋转总成。

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能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器的结构示意图；

图2示出了图1中II处的局部放大图；

图3示出了图1中I处的局部放大图；

图4示出了图1中旋转总成的结构示意图。

附图说明：

1-壳体，2-连接法兰，3-第一压力传感器，4-下部胶芯组件，5-下部密封组件，51-下密封衬套，52-下部冷却循环水腔，53-下动密封圈，54-下支撑环，55-下部轴承压盖，6-辅助液缸位移传感器，7-辅助液缸，8-主液缸，9-主液缸位移传感器，10-润滑油注入口，11-上部冷却水循环单元，12-下部冷却水循环单元，13-排浆泵，14-钻井液收集筒，15-压力传感器电源，16-上部胶芯组件，17-压力传感器主机，18-压力传感器信号中转站，19-上部密封组件，191-上密封衬套，192-上辅助密封圈，193-上部冷却循环水腔，194-上支撑环，195-上动密封圈，196-上部轴承压盖，20-辅助密封圈，21-旋转总成壳体，21a-上轴承盖体，21b-旋转总成外壳，21c-下轴承盖体，22-锁定轴，23-接触面，24-中心管，24a-限位台阶，25-轴承组件，25a-上轴承组件，25b-下轴承组件。

具体实施方式

在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的一种能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器。需要说明的是，“第一”、“第二”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”、“内”、“外”仅仅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。

在本发明的第一示例性实施例中，能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器主要包括壳体总成、旋转总成和钻井液回收引流装置三大部分。

其中，壳体总成包括壳体、第一压力传感器和至少两组液缸锁紧组件。其中，壳体具有轴向设置的第一通道，壳体的下端与井口环形防喷器固定密封连接，第一通道与井下空间连通。第一压力传感器与第一通道连通以能够检测壳体内部的压力。例如，第一压力传感器可通过连接法兰与所述壳体内部连通。

至少两套液缸锁紧组件沿壳体周向均匀设置在壳体总成上，液缸锁紧组件能够对所述旋转总成施加径向作用力将旋转总成与壳体总成锁定。这里，至少两套液缸锁紧组件可包括2～6组液缸锁紧组件。

钻井液回收引流装置包括钻井液收集筒和排浆泵，钻井液收集筒的下端与壳体的上端固定密封连接。排浆泵能够将钻井液收集筒中的钻井液泵送到钻井液循环罐中。例如，可将排浆泵设置在钻井液收集筒中，排浆泵的出口通过管道与钻井液循环罐相连。当然，排浆泵也可设置在别处，只要能将钻井液收集筒中的钻井液泵送到钻井液循环罐中，防止井口钻井液漫流造成环境污染即可。

在本实施例中，旋转总成包括旋转总成壳体、上部旋转总成和下部旋转总成。其中，旋转总成壳体设置在壳体中且旋转总成壳体的外壁与壳体的内壁之间形成密封。

上部旋转总成包括上部胶芯壳体、第二压力传感器和上部胶芯组件。其中，上部胶芯壳体的下端与下部旋转总成的中心管上端固定密封连接，上部胶芯壳体的内部通道与中心管的内部通道连通。上部胶芯组件设置在上部胶芯壳体的上端将上部胶芯壳体上端密封。

下部旋转总成包括中心管、上部密封组件、下部密封组件、轴承组件和下部胶芯组件。其中，中心管设置在旋转总成壳体中，在中心管外壁与旋转总成壳体内壁之间形成有环形空腔。例如，这里，旋转总成壳体的内壁可向内凹陷从而在旋转总成内壁与中心管外壁之间形成环形空腔或筒状空腔。

从上到下，上部密封组件、轴承组件和下部密封组件依次设置在环形空腔中。这里，上部密封组件在旋转总成壳体上端与中心管上端形成密封，下部密封组件能够在旋转总成壳体下端与中心管下端形成密封。轴承组件能够使中心管相对旋转总成壳体沿中心管的轴线旋转。

下部胶芯组件设置在中心管的下端将中心管下端密封。这里，上部胶芯组件和下部胶芯组件均为抗硫抗腐蚀胶芯，能够满足含硫井和海洋钻井需求。

在本示例性实施例中，旋转防喷器还可包括上冷却水循环单元，上冷却水循环单元包括上冷却水进口，上冷却水出口和上部冷却循环水腔。其中，上部冷却循环水腔与中心管的上部接触或靠近，上冷却水进口和上冷却水出口分别设置在壳体上且与上部冷却循环水腔连通，以对下部旋转总成的上部进行冷却。

在本示例性实施例中，旋转防喷器还可包括下冷却水循环单元，下冷却水循环单元包括下冷却水进口、下冷却水出口和下部冷却循环水腔。其中，下部冷却循环水腔与中心管的下部接触或靠近，下冷却水进口和下冷却水出口分别设置在壳体上且与所述下部冷却循环水腔连通，以对下部旋转总成的下部进行冷却。

在本示例性实施例中，所述旋转防喷器还可包括润滑油注入口，润滑油注入口设置在壳体上并能够向环形空腔中注入润滑油对环形空腔中的轴承组件进行润滑。这里，为了减小井下钻井液对下部密封组件的腐蚀，润滑油的注入压力比井口压力高0.1～0.2MPa。

在本示例性实施例中，液缸锁紧组件可包括液缸和锁定轴，液缸固定设置在壳体上，锁定轴设在液缸中，在壳体上设置有供锁定轴穿过的通孔，在旋转总成壳体上设置与锁定轴作用的接触面。液缸推动锁定轴在通孔中移动与接触面作用将旋转总成与壳体总成锁紧。

在本示例性实施例中，液缸可包括主液缸、辅助液缸、主液缸位移传感器和辅助液缸位移传感器。其中，主液缸设置在壳体上，辅助液缸设置在主液缸上，主液缸位移传感器能够检出主液缸的位移量，辅助液缸位移传感器能够检出辅助液缸的位移量。这里，液缸还包括调节阀，调节阀能够调节主液缸活塞的位移量从而调节锁定轴的位移量。

在本示例性实施例中，液缸锁紧组件上还可设置有高压清洗喷水孔，高压清洗喷水孔设置在锁定轴上。通过高压清洗喷水孔能够对所述接触面进行清洗使接触面保持清洁。

在本示例性实施例中，旋转总成壳体可包括从上到下固定连接上轴承盖体、旋转总成外壳和下轴承盖体。这里，上轴承盖体与旋转总成外壳，旋转总成外壳与下轴承盖体之间可通过螺栓固定连接。

其中，旋转总成外壳的内径大于所述上轴承盖体和下轴承盖体的内径。中心管上外壁设置有向外突出的限位台阶，所述轴承组件包括上轴承组件和下轴承组件。上轴承组件作用在上轴承盖体下端面和限位台阶上端面之间，所述下轴承组件作用在下轴承盖体上端面和限位台阶下端面之间，从而限制中心管相对旋转总成壳体在旋转总成壳体轴线方向上发生相对运动。这里，上部密封组件可设置在上轴承盖体内壁与中心管外壁之间，下部密封组件可设置在下轴承盖体与中心管外壁之间。

在本示例性实施例中，上部冷却循环水腔可设置在上密封组件中，上部密封组件包括上密封衬套、上支撑环和上部轴承压盖。其中，上密封衬套套设在中心管上端外壁上并与中心管外壁和旋转总成壳体内壁形成动密封(例如，通过上辅助密封圈)，上支撑环套设在上密封衬套外壁与旋转总成壳体内壁之间并形成动密封(例如，通过上动密封圈)。上部冷却循环水腔形成在上支撑环中，上部承轴压盖作用在上部支撑环下端面和轴承组件上端面之间。

在本示例性实施例中，下部冷却循环水腔可设置在下密封组件中，下部密封组件包括下密封衬套、下支撑环和下部轴承压盖。其中，下密封衬套套设在中心管下端外壁上并与中心管外壁和旋转总成壳体内壁形成动密封(例如，通过设置密封圈)，下支撑环套设在下密封衬套外壁与旋转总成壳体内壁之间并形成动密封(例如，通过下动密封圈)。下部冷却循环水腔形成在下支撑环中，下部承轴压盖作用在下支撑环上端面和轴承组件下端面之间。

在本示例性实施例中，第二压力传感器可包括压力传感器电源、压力传感器主机和压力传感器信号中转站。其中，压力传感器电源和压力传感器主机设置在所述上部旋转总成中随旋转总成一起转动，压力传感器电源为压力传感器主机供电。所述压力传感器主机能够测量旋转总成内部的压力并转换为无线信号输出。所述压力传感器信号中转站固定设置在所述钻井液收集筒上并能够接收压力传感器主机输出的无线信号最终输出到采集终端。

在本示例性实施例中，轴承组件可包括上滚针轴承、上推力滚子轴承、下推力滚子轴承和下滚针轴承，所述上滚针轴承设置在所述上部密封组件和上推力滚子轴承之间，所述下推力滚子轴承设置在所述上推力滚子轴承之下，所述下滚针轴承设置在所述下推力滚子轴承和下部密封组件之间。

图1示出了根据本发明一个示例性实施例的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器的结构示意图；图2示出了图1中II处的局部放大图；图3示出了图1中I处的局部放大图；图4示出了图1中旋转总成的结构示意图。

在本发明的第二示例性实施例中，如图1～4中所示，能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器包括壳体总成、旋转总成、钻井液回收引流装置。

其中，壳体总成包括壳体1、第一压力传感器3及液缸锁紧组件构成。其中，所述壳体1具有呈轴向的第一通道，第一通道与井下环形防喷器固定密封连接以使第一通道井下空间贯通。第一压力传感器3与第一通道相连接以对壳体1的内部压力进行检测。这里，第一压力传感器3与壳体1可以通过连接法兰2进行连接。

在本示例性实施例中，液缸锁紧组件至少包括两组，至少两组相互配合来讲旋转总成与壳体总成锁紧。这里，至少两组液缸锁紧组件中可包括2～6组液缸锁紧组件，2～6组液缸锁紧组件分别沿壳体1的周向均匀的安装在壳体1且位于同一平面上，通过液缸锁紧组件对旋转总成施加径向作用力将旋转总成与壳体总成锁定。

在本示例性实施例中，液缸锁紧组件包括液缸与锁定轴，液缸被固定在壳体上，锁定轴设置于液缸中。

例如，如图1中所示，液缸锁紧组件包括主液缸8、主液缸位移传感器9、辅助液缸7、辅助液缸位移传感器6。其中，主液缸8固定设置在壳体1上，辅助液缸7设置在主液缸8上，主液缸位移传感器9能够对主液缸8的位移量进行检测，辅助液缸位移传感器6能够对辅助液缸7的位移量进行检测。这里，液缸锁紧组件还包括调节阀，调节阀能够调整主液缸活塞的位移量，从而调整调节锁定轴的位移量。此外，液缸锁紧组件还可包括高压清洗喷水孔(图1中未示出)，高压清洗喷水孔设置于锁定轴22上，利用高压清洗喷水孔对接触面23进行清洗，保持接触面的清洁。

在本示例性实施例中，旋转总成包括旋转总成壳体21，上部旋转总成和下部旋转总成。其中，旋转总成壳体21设置在壳体1中，旋转总成壳体21的外壁与壳体1的内壁之间形成密封。上部旋转总成包括上部胶芯壳体、第二压力传感器及上部胶芯组件16。下部旋转总成包括中心管24、上部密封组件19、下部密封组件5和轴承组件25。其中，在上部旋转总成中，上部胶芯壳体的下端与下部旋转总成的中心管24的上端固定密封连接，且上部胶芯壳体的内部与中心管内部之间贯通。上部胶芯组件16设置在上部胶芯壳体的上端将上部胶芯壳体的上端密封。

在本示例性实施例中，如图4中所示，旋转总成壳体21可包括从上到下固定连接上轴承盖体21a、旋转总成外壳21b和下轴承盖体21c。例如，上轴承盖体与旋转总成外壳，旋转总成外壳与下轴承盖体之间可通过螺栓固定连接。

其中，旋转总成外壳21b的内径大于上轴承盖体21a和下轴承盖体21c的内径。中心管上外壁设置有向外突出的限位台阶，所述轴承组件25包括上轴承组件25a和下轴承组件25b。上轴承组件25a作用在上轴承盖体21a的下端面和限位台阶24a的上端面之间，下轴承组件25b作用在下轴承盖体21c的上端面和限位台阶24a的下端面之间，从而限制中心管相对旋转总成壳体在旋转总成壳体轴线方向上发生相对运动。这里，上部密封组件可设置在上轴承盖体内壁与中心管外壁之间，下部密封组件可设置在下轴承盖体与中心管外壁之间。

在本示例性实施例中，如图2中所示，上部冷却循环水腔193可设置在上部密封组件19中，上部密封组件19可包括上密封衬套191、上支撑环194和上部轴承压盖196。其中，上密封衬套191套设在中心管24上端的外壁上并与中心管外壁和旋转总成壳体21的内壁形成动密封(例如，通过设置上辅助密封圈192来实现动密封)。上支撑环194套设在上密封衬套191外壁与旋转总成壳体21内壁之间并形成动密封(例如，通过上动密封圈195来实现动密封)。上部冷却循环水腔193形成在上支撑环194中，上部承轴压盖196作用在上支撑环194下端面和轴承组件上端面之间。这里，在上支撑环与旋转总成壳体内壁之间还可设置有上水密封，以防止上部冷却循环水腔中的冷却水泄露。

在本示例性实施例中，如图3中所示，下部冷却循环水腔52可设置在下部密封组件5中，下部密封组件5包括下密封衬套51、下支撑环54和下部轴承压盖55。其中，下密封衬套51套设在中心管24的下端外壁上并与中心管外壁和旋转总成壳体21内壁形成动密封(例如，通过设置密封圈来实现)。下支撑环54套设在下密封衬套51的外壁与旋转总成壳体21内壁之间并形成动密封(例如，通过设置下动密封圈53来实现动密封)。下部承轴压盖55作用在下支撑环54上端面和轴承组件下端面之间。下部冷却循环水腔52形成在下支撑环54中。

在本示例性实施例中，下部胶芯组件4设置在中心管24的下端，以将中心管24下端进行密封。这里，上部胶芯组件与下部胶芯组件可采用满足含硫井和海洋钻井需求的抗硫抗腐蚀胶芯。

在本示例性实施例中，如图4中所示，轴承组件25包括上滚针轴承、上推力滚子轴承、下推力滚子轴承和下滚针轴承。其中，上滚针轴承设置在所述上部密封组件19和上推力滚子轴承之间，下推力滚子轴承设置在上推力滚子轴承之下，下滚针轴承设置在所述下推力滚子轴承和下部密封组件5之间。

在本示例性实施例中，如图1中所示，第二压力传感器中可包括压力传感器电源15、压力传感器主机17和压力传感器信号中转站18。其中，压力传感器电源15和压力传感器主机17设置在上部旋转总成中随旋转总成一起转动，压力传感器电源15为压力传感器主机17供电。压力传感器主机17能够测量旋转总成内部的压力并转换为无线信号输出。压力传感器信号中转站18固定设置在所述钻井液收集筒上并能够接收压力传感器主机输出的无线信号最终输出到采集终端。

在本示例性实施例中，如图1中所示，所述旋转防喷器还设置有上部冷却水循环单元11与下部冷水循环单元12。其中，上部冷却水循环单元11包括上冷却水进水口，上冷却水出水口及上部冷却水循环水腔。其中，上部冷却水循环水腔接触或靠近中心管上端，形成于上支撑环上，上冷却水进口与上冷却水出口设置在壳体1上。且与上部冷却循环水腔193相连通，对下部旋转总成的上部进行冷却。其中，上部轴承压盖设置在上部支撑环下垫面与轴承组件上端面之间。

下部冷却水循环单元12包括下冷却水进水口，下冷却水出水口及下部冷却水循环水腔。其中，下部冷却水循环水腔接触或靠近中心管下端，形成于下支撑环上，下冷却水进口与下冷却水出口设置在壳体1上。且与下部冷却循环水腔相连通，对下部旋转总成的下部进行冷却。

在本示例性实施例中，如图1中所示，所述旋转防喷器还可设置有润滑油注入口10，润滑油注入口10位于壳体1上。旋转总成壳体21上设置有润滑油通道，润滑油通道一端与润滑油注入口10连通，另一端与环形空腔连通，向环形空腔中注入润滑油，对环形空腔中的轴承组件进行润滑。这里，为了减小井下钻井液对下部密封组件5的腐蚀，润滑油的注入压力比井口压力高0.1～0.2MPa。

在本示例性实施例中，如图1中所示，钻井液回收引流装置可包括钻井液收集筒14和排浆泵13，钻井液收集筒14的下端与壳体1的上端固定密封连接，在钻井液收集筒14外壁上固定压力传感器信号中转站18。排浆泵13设置在钻井液收集筒14中将钻井液收集筒中的钻井液泵送到钻井液循环罐中。例如，可将排浆泵设置在钻井液收集筒中，排浆泵的出口通过管道与钻井液循环罐相连。当然，排浆泵也可设置在别处，只要能将钻井液收集筒中的钻井液泵送到钻井液循环罐中，防止井口钻井液漫流造成环境污染即可。

在本发明的第三示例性实施例中，能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器系统可包括上述第一或第二示例性实施例所述的旋转防喷器，还包括液压控制装置和数据采集与控制单元，液压控制装置与液压锁紧组件相连为液压锁紧组件提供动力，数据采集与控制单元与所述旋转防喷器相连对旋转防喷器进行控制。这里，通过配套的液压控制装置，为液压锁紧组件等机构提供动力，通过数据采集与控制单元采集各个传感器信息，为操作者实施操作提供判断依据。

目前，我国石油、天然气对外依存度高，2014年分别高达59.5％和32.2％。易开发资源日趋枯竭，勘探开发重点正在向“深层、低渗透、海洋、非常规”转移。旋转防喷器作为实施欠平衡钻井作业的核心关键装备，该装备安装在井口上，用于密封有旋转或上下移动的钻具，使井筒内返出流体在带压条件下有控制地进入地面分离处理系统，保证欠平衡钻井作业顺利实施。旋转防喷器在运行过程中所处环境接触介质为泥浆、高速气体、原油、岩屑颗粒等，使用工况极为恶劣；所密封的钻具为非等径管柱串；旋转过程受钻具影响时常处于偏心、无规则振动状态；所密封井筒压力无规律变化情况。早期国内生产的旋转防喷器压力级别低，使用寿命短，不能满足现场高压密封及长时间可靠工作的需求。高端产品又被外国公司垄断和技术封锁，严重阻碍了欠平衡钻井技术在国内大规模的推广和应用。因此，亟需解决研制高压力、高科技旋转防喷器，解决远程监测、旋转动密封、胶芯密封、防磨抗冲蚀、使用寿命短、闭环控制等技术难点。随着国家环境保护法的实施，对欠平衡/控压钻井的环保提出了更高了要求，在欠平衡钻井和控压钻井过程中，由于胶芯磨损状况难于实时监测,磨损后的胶芯直接影响到密封效果，特别是旋转防喷器胶芯密封失效后，会引发钻井液大量跑失污染环境，因此需拆开总成、更换胶芯，在更换过程中，现有旋转防喷器卡箍的连接方式、驱动方式和液控装置的控制方式，新旋转总成到位的过程中，旋转防喷器壳体内的钻井液液会漫流出壳体，甚至漫流到井口装置上，引发环境污染。因此，现场作业需要一种新型旋转防喷器，将溢流出的流体从钻台导流出去，解决钻井液漫流的难题，并且确保安全而有效的控压钻井作业，并且该型旋转防喷器可以远程监测到胶芯状态，为了是否需要更换胶芯提供依据。

本发明的旋转防喷器具有压力检测、润滑油微量注入功能。利用压力检测装置检测井内压力，信号传送到变量注入泵，泵注入量控制轴承腔室压力以维持下部动密封形成设定的正压差；回油压力控制回路根据上部动密封处压力调节流量，保持上部动密封处压力稳定在设定值上。同时，本发明的旋转防喷器为上、下双胶芯密封结构。起、下钻具过程中，钻杆接头通过下胶芯时，胶芯密封钻杆本体；接头通过上胶芯时，下胶芯密封钻杆本体。采用本设计解决了密封钻具尺寸突变过程中，密封介质瞬间微量泄漏至地层有害产出物危害钻台上操作人员人身安全难题。最高静密封压力达到35MPa。

此外，本发明的旋转防喷器还设置有闭环控压钻井系统，完善了旋转防喷器在欠平衡钻井过程中的配套技术，旋转防喷器旋转总成轴承腔室下部旋转动密封采用压力平衡强制正压密封技术，用以密封压力无规律变化，含有岩屑、泥沙的井内流体。密封元件上端为持续注入压力油的轴承腔室，测压装置实时检测下端井压变化，信号传递到液压控制系统自动调节润滑油注入压力，将压差保持在设定值下，压力油微量连续通过密封面进入井内。设定的平衡压力使密封元件承受相对较低的密封压差，通过密封面油膜起到了降低摩擦力、带走热量、冲洗泥沙的作用。采用本项技术研制的压力平衡密封装置保证了井内压力在0～35MPa范围变化内密封件长时间可靠密封。

为提高“深层、低渗透、海洋、非常规”储层的资源动用率和勘探开发效益提供强有力的工程技术支撑，对于加快四川盆地及我国石油天然气勘探开发的进程，缓解对国外的油气依存，保证国家能源安全具有重大意义。

综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：

(1)本发明的旋转防喷器系统，可以实现钻井液集中回收，满足环保要求；

(2)现场操作者可以远程判断胶芯是否密封失效，决策是否更换胶芯；液压锁紧装置远程控制，既可以保证安全的锁紧旋转总成，也可以有效的减轻操作者劳动强度，有效避免了操作者反复爬井口；

(3)在液压锁紧组件的每个锁定轴上都设置有喷水孔，在液压锁紧组件锁定轴伸缩前后都可以有效清洗接触面，可以清洁接触面，更有效的锁紧旋转总成。

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 (15)

1.一种能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述旋转防喷器包括壳体总成、旋转总成和钻井液回收引流装置，其中，

所述壳体总成包括壳体、第一压力传感器和至少两组液缸锁紧组件，其中，

所述壳体的下端与井口环形防喷器固定密封连接，所述第一压力传感器能够检测所述壳体内部的压力，所述至少两组液缸锁紧组件沿壳体周向均匀设置在壳体总成上，所述液缸锁紧组件能够对所述旋转总成施加径向作用力将旋转总成与壳体总成锁定；

所述钻井液回收引流装置包括钻井液收集筒和排浆泵，所述钻井液收集筒的下端与所述壳体的上端固定密封连接，所述排浆泵能够将所述钻井液收集筒中的钻井液泵送到钻井液循环罐中；

所述旋转总成包括旋转总成壳体、上部旋转总成和下部旋转总成，其中，

所述旋转总成壳体设置在所述壳体中且旋转总成壳体外壁与壳体内壁之间形成密封；

所述上部旋转总成包括上部胶芯壳体、第二压力传感器和上部胶芯组件，所述上部胶芯壳体下端与所述下部旋转总成固定密封连接，所述上部胶芯组件将所述上部胶芯壳体上端密封；

所述下部旋转总成包括中心管、上部密封组件、下部密封组件、轴承组件和下部胶芯组件，所述中心管设置在所述旋转总成壳体中，在中心管外壁与旋转总成壳体内壁之间形成有环形空腔；

从上到下，所述上部密封组件、轴承组件和下部密封组件设置在所述环形空腔中；

所述下部胶芯组件设置在所述中心管下端将中心管下端密封。

2.根据权利要求1所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述旋转防喷器还包括上冷却水循环单元，所述上冷却水循环单元包括上冷却水进口，上冷却水出口和上部冷却循环水腔，其中，

所述上部冷却循环水腔与所述中心管的上部接触或靠近，所述上冷却水进口和上冷却水出口分别设置在所述壳体上且与所述上部冷却循环水腔连通，以对所述下部旋转总成的上部进行冷却。

3.根据权利要求1所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述旋转防喷器还包括下冷却水循环单元，所述下冷却水循环单元包括下冷却水进口、下冷却水出口和下部冷却循环水腔，其中，

所述下部冷却循环水腔与所述中心管的下部接触或靠近，所述下冷却水进口和下冷却水出口分别设置在所述壳体上且与所述下部冷却循环水腔连通，以对所述下部旋转总成的下部进行冷却。

4.根据权利要求1所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述旋转防喷器还包括润滑油注入口，所述润滑油注入口设置在所述壳体上并能够向所述环形空腔中注入润滑油，所述润滑油的注入压力比井口压力高0.1～0.2MPa。

5.根据权利要求1所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述至少两组液缸锁紧组件包括2～6组液缸锁紧组件。

6.根据权利要求1或5所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述液缸锁紧组件包括液缸和锁定轴，所述液缸固定设置在所述壳体上，所述锁定轴设在所述液缸中，所述壳体上设置有供锁定轴穿过的通孔，所述旋转总成壳体上设置与所述锁定轴作用的接触面，所述液缸推动所述锁定轴在所述通孔中移动与所述接触面作用将旋转总成与壳体总成锁紧。

7.根据权利要求1或5所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述液缸包括主液缸、辅助液缸、主液缸位移传感器和辅助液缸位移传感器，其中，

所述主液缸设置在所述壳体上，所述辅助液缸设置在所述主液缸上，所述主液缸位移传感器能够检出主液缸的位移量，所述辅助液缸位移传感器能够检出辅助液缸的位移量；

所述液缸还包括调节阀，所述调节阀能够调节锁定轴的位移量。

8.根据权利要求5所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述液压锁紧组件上还设置有高压清洗喷水孔，所述高压清洗喷水孔设置在锁定轴上，所述高压清洗喷水孔能够对所述接触面进行清洗使接触面保持清洁。

9.根据权利要求1所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述旋转总成壳体包括从上到下固定连接上轴承盖体、旋转总成外壳和下轴承盖体，其中，

所述旋转总成外壳的内径大于所述上轴承盖体和下轴承盖体的内径；

所述中心管上外壁设置有向外突出的限位台阶，所述轴承组件包括上轴承组件和下轴承组件；

所述上轴承组件作用在上轴承盖体下端面和限位台阶上端面之间，所述下轴承组件作用在下轴承盖体上端面和限位台阶下端面之间。

10.根据权利要求1所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述上部冷却循环水腔设置在所述上密封组件中，所述上部密封组件包括上密封衬套、上支撑环和上部轴承压盖，其中，所述上密封衬套套设在所述中心管外壁上并与中心管外壁和旋转总成壳体内壁形成密封，所述上支撑环套设在所述上密封衬套外壁与旋转总成壳体内壁之间并形成密封，所述上部冷却循环水腔形成在所述上支撑环中，所述上部承轴压盖作用在所述上部支撑环下端面和轴承组件上端面之间。

11.根据权利要求1所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述下部冷却循环水腔设置在所述下密封组件中，所述下部密封组件包括下密封衬套、下支撑环和下部轴承压盖，其中，所述下密封衬套套设在所述中心管外壁上并与中心管外壁和旋转总成壳体内壁形成密封，所述下支撑环套设在所述下密封衬套外壁与旋转总成壳体内壁之间并形成密封，所述下部冷却循环水腔形成在所述下支撑环中，所述下部承轴压盖作用在所述下支撑环上端面和轴承组件下端面之间。

12.根据权利要求1所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述第一压力传感器通过连接法兰与所述壳体内部连通。

13.根据权利要求1所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述第二压力传感器包括压力传感器电源、压力传感器主机和压力传感器信号中转站，其中，

所述压力传感器电源和压力传感器主机设置在所述上部旋转总成中，压力传感器电源为压力传感器主机供电；

所述压力传感器主机能够测量旋转总成内部的压力并转换为无线信号；

所述压力传感器信号中转站固定设置在所述钻井液收集筒上并能够接收压力传感器主机输出的无线信号。

14.根据权利要求1所述的能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器，其特征在于，所述轴承组件包括上滚针轴承、上推力滚子轴承、下推力滚子轴承和下滚针轴承，所述上滚针轴承设置在所述上部密封组件和上推力滚子轴承之间，所述下推力滚子轴承设置在所述上推力滚子轴承之下，所述下滚针轴承设置在所述下推力滚子轴承和下部密封组件之间。

15.一种能够监测胶芯状态和防止钻井液漫流的自锁紧旋转防喷器系统，其特征在于，所述旋转防喷器系统包括如权利要求1～14中任意一项所述的旋转防喷器，还包括液压控制装置和数据采集与控制单元，所述液压控制装置与所述液压锁紧组件相连为液压锁紧组件提供动力，所述数据采集与控制单元与所述旋转防喷器相连对旋转防喷器进行控制。