CN114704217A - 一种环形液压锁紧式的旋转控制头装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形液压锁紧式的旋转控制头装置，其包括防溢管、旋转总成、液压系统总成以及壳体；防溢管的内径大于旋转总成的最大外径，防溢管下端通过法兰与壳体顶部连接；旋转总成设置在壳体内，旋转总成包括旋转部分和非旋转部分，非旋转部分由上密封端盖、外筒、下密封端盖、内部轴承组成；外筒的外部设置环形锁紧爪槽、密封圈槽和环形定位台阶；液压系统总成包括液压缸、锁紧爪和锁紧状态指示杆；旋转总成通过采用若干个同平面等圆周距并受远程液压站控制的液压油缸及锁紧爪，实现锁紧爪伸出或收回，以便于旋转总成的安装和取出，改变了传统抱箍式的安装连接方式，简化了更换旋转控制头总成的程序。

Description

一种环形液压锁紧式的旋转控制头装置

技术领域

本发明涉及石油天然气勘探开发技术领域，尤其是一种环形液压锁紧式的旋转控制头装置。

背景技术

目前，安全高效钻井的不断需求和环保要求的提高，特别是南海海域高温高压勘探重点由东方区域扩展到乐东等海域，温度更高，压力窗口更窄，作业环境更为苛刻，溢流、漏失等复杂情况频发，急需开展超高温高压窄压力窗口的控压钻井工艺研究。

现有的抱箍式旋转控制头不能完全满足海洋平台的控压钻井工艺要求。现用旋转控制头装置及系统在钻井平台应用问题主要表现在：第一、更换旋转总成程序繁琐，井口作业时间长；第二、频繁进行井口高处作业，安全风险大；第三、不能高效切换钻井模式，增加了非生产作业时间；第四、切换钻井模式时井口泥浆外泄，严重违反环保安全；第五、无法实现海上自升式平台和深水平台欠平衡和控压钻完井作业全覆盖和超高温高压井安全高效钻井需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有旋转控制头存在的上述问题，提供一种环形液压锁紧式的旋转控制头装置。本发明的旋转控制头装置将为建立一套海上钻井平台安全、高效的欠平衡及控压钻井工艺技术提供技术支撑。

本发明提供的环形液压锁紧式的旋转控制头装置，包括防溢管、旋转总成、液压系统总成以及壳体。

所述壳体是形成液压锁紧式的旋转控制头的根本部件，用于连接安装其他部件。

所述防溢管的内径大于旋转总成的最大外径，防溢管上端设置与导流装置连接的接头；防溢管下端通过法兰与壳体顶部连接。

所述旋转总成设置在壳体内。所述旋转总成包括旋转部分和非旋转部分。旋转部分包括上胶芯总成、芯轴总成和下胶芯总成。非旋转部分位于上胶芯总成和下胶芯总成之间。非旋转部分由上密封端盖、外筒、下密封端盖、内部轴承组成。钻杆穿过旋转部分的上胶芯总成和下胶芯总成，由上下胶芯与钻杆形成钻具面密封，并与钻杆一起转动。外筒的外部设置环形锁紧爪槽、密封槽和环形定位台阶。壳体内通过通径大小变化设置有一个支撑台阶与外筒外部的定位台阶配合一致，下入旋转总成时，定位台阶坐落在壳体内的支撑台阶上实现定位。密封槽内安装静密封圈，非旋转部分与壳体内部之间通过静密封圈形成静密封。旋转部分与非旋转部分通过上下两个止推轴承相互轴向支撑、定位和旋转。同时上下密封端盖固定在非旋转的外筒上，通过旋转密封圈形成旋转部分与非旋转部分直接的旋转密封。旋转部分与非旋转部分之间的轴承润滑与冷却通过采用注润滑脂的方式进行轴承润滑和冷却。

所述液压系统总成包括液压缸、锁紧爪、锁紧状态指示杆、液压站(加压系统及操作系统)及两根油管。所述液压缸有若干个，所有液压缸等间距环绕设置在壳体外侧，且位于同一径向平面上。每个液压缸上设置两个进出油口，所有液压缸的两个进出油口并联连接到环形油管上，并在环形油管上设置两个油管接头；所述液压站连接两根油管，两根油管另一端分别通过两个接头与液压缸的环形油管连通。每个液压缸正对的壳体壁面上开设一个锁紧爪孔，锁紧爪以可移动方式位于锁紧爪孔内，锁紧爪与液压缸的活塞杆通过螺纹连接。由液压站储油、加压、操作，把液压油通过油管输送到旋转控制头的液压接头，再由液压接头并联分送到各个液压缸，在液压站实施远程操作液压缸运动。在液压缸作用下锁紧爪径向向轴心移动伸出卡在外筒的锁紧爪槽里将旋转总成固定在壳体里，或锁紧爪径向向轴心相反方向缩回，放松旋转总成，便于在壳体里安装或取出旋转总成。锁紧状态指示杆与液压缸活塞连接，锁紧状态指示杆与活塞杆分别位于活塞的左右两侧，锁紧状态指示杆在活塞的带动下进行伸出或缩回，以显示锁紧爪是否关或开到位。

所述壳体底部法兰与井队环形防喷器或深水平台隔水管外筒连接。壳体顶部设置栽丝法兰，通过栽丝法兰与防溢管或深水平台隔水管三段式伸缩管连接。在壳体下部同一径向平面上开有四个返出口，分别用于连接一个主返出管线、一个备用返出管线、一个灌浆管线和一个备用出口。钻杆、旋转总成和壳体形成泥浆返出井口的可带压的封闭流体通道。

与现有技术相比，本发明的有益之处在于：

改变了传统的旋转总成与壳体，防溢管总成与壳体安装固定的方式，本发明的旋转总成是通过采用若干个同平面等圆周距并受远程液压站控制的液压油缸及锁紧爪，实现锁紧爪伸出或收回，以实现旋转总成的安装与取出，改变了以前抱箍式的安装连接方式。壳体独特的设计了顶部栽丝法兰，便于安装防溢管法兰，同样改变了以前抱箍式的安装连接方式，避免了壳体只能连接旋转总成或防溢管总成的问题。本发明的壳体可以同时连接旋转总成和防溢管总成，互不干扰，由此现场施工时，减少更换旋转控制头总成程序、大大节约非生产时间、降低高空作业的安全风险和经常拆卸防溢管所形成的泥浆泄露而带来的环保安全风险。

本发明采用注润滑脂方式给旋转总成进行润滑及冷却，改变了传统的旋转控制头的润滑与冷却方式，配置专用的泵站、润滑和冷却系统，大大降低了占地空间和物资、操作、运输、维修等成本。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1、环形液压锁紧式的旋转控制头装置结构示意图。

图2、防溢管的连接结构示意图。

图3、旋转总成的结构示意图。

图4、液压系统总成的结构示意图。

图5、锁紧爪收回状态示意图，其中，a是轴向剖面图，b是径向剖面图。

图6、锁紧爪锁紧状态示意图，其中，a是轴向剖面图，b是径向剖面图。

图7、壳体的整体结构示意图。

图8、壳体的轴向剖面图。

图9、壳体的锁紧爪孔径向剖面图。

图10、壳体的四个返出口径向剖面图。

图中标号：

防溢管1、旋转总成2、液压系统总成3、壳体4、钻杆5、环形防喷器6、接头11、井队导流装置12，导流装置出口13、上胶芯总成21、芯轴总成22、下胶芯总成23、上密封端盖24、外筒25、下密封端盖26、轴承27、锁紧爪槽28、定位台阶29、密封圈(槽)30、液压缸31、锁紧爪32、锁紧状态指示杆33、液压站34、两根油管35、环形油管36、油管接头37、栽丝法兰41、支撑台阶42、锁紧爪孔43、返出口44、法兰45、环形防喷器6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-10所示，本发明提供的环形液压锁紧式的旋转控制头装置的结构包括防溢管1、旋转总成2、液压系统总成3以及壳体4。

所述壳体4是形成液压锁紧式的旋转控制头的根本部件，用于连接安装其他部件。

所述防溢管1是常规钻井或欠平衡钻井及控压钻井在取掉旋转总成时用于泥浆返出井口的必备设备及流体通道。所述防溢管1是内径大于旋转总成的最大外径的钢管。以确保拆装旋转总成时不需要拆装防溢管，可以使用下入(或取出)工具通过防溢管内筒安装或取出旋转总成。防溢管1上端通过接头11连接井队导流装置12，导流装置上设有导流装置出口13。防溢管下端法兰与壳体4顶部连接。壳体4顶部设置栽丝法兰41，防溢管下端通过栽丝法兰与壳体顶部连接。壳体顶部设计成栽丝法兰与防溢管通过螺栓连接，防溢管一次性安装到位，在安装或取出旋转总成通过防溢管筒内下入或取出，不需要拆装防溢管。

所述旋转总成2设置在壳体4内部。所述旋转总成包括旋转部分和非旋转部分(见图3)。旋转部分包括上胶芯总成21、芯轴总成22和下胶芯总成23。旋转部分主要功能通过上下胶芯密封钻杆环形面，并与钻杆5一起转动。非旋转部分位于上胶芯总成和下胶芯总成之间。非旋转部分由上密封端盖24、外筒25、下密封端盖26、内部轴承27组成。外筒25内部设计轴承支撑定位台阶。钻杆5穿过旋转部分的上胶芯总成和下胶芯总成，由上下胶芯与钻杆形成钻具面密封，并与钻杆一起转动。外筒25的外部设置环形锁紧爪槽28、密封圈(槽)30和环形定位台阶29。壳体内通过通径大小变化设置有一个支撑台阶42与外筒外部的定位台阶29配合一致，下入旋转总成时，定位台阶29坐落在壳体内的支撑台阶42上实现定位。旋转部分与非旋转部分通过上下两个止推轴承相互轴向支撑、定位和旋转。上密封端盖24和下密封端盖26固定在非旋转的外筒25上，通过密封圈形成旋转部分与非旋转部分直接的旋转密封。旋转部分与非旋转部分之间的轴承润滑与冷却通过采用注润滑脂的方式进行轴承润滑和冷却。外筒25外部还设置有环形密封圈(槽)30、注脂孔、泄压孔及排气孔等。环形密封圈槽内放置密封圈30，用于密封旋转总成与壳体之间的间隙。非旋转部分的主要功能是用于定位旋转总成在壳体中的位置，并通过环形液压锁紧爪固定旋转总成在壳体里，通过三道密封圈密封旋转总成与壳体。

所述液压系统总成3包括液压缸31、锁紧爪32、锁紧状态指示杆33、液压站34(加压系统及操作系统)及两根油管35(见图4)。所述液压缸有若干个，所有液压缸环绕等间距设置在壳体外侧同一径向平面上。每个液压缸上设置两个进出油口，所有液压缸的两个进出油口并联连接到环形油管36上，并在环形油管上设置两个油管接头37。所述液压站34连接两根油管35，两根油管35另一端分别通过两个接头37与液压缸的环形油管连通。每个液压缸正对的壳体4壁面上开设一个锁紧爪孔43，锁紧爪以可移动方式位于锁紧爪孔内，锁紧爪与液压缸的活塞杆通过螺纹连接。液压站通过气动增压泵提供能量。由液压站储油、加压、操作，把液压油通过油管输送到旋转控制头的液压接头，再由液压接头并联分送到各个液压缸，在液压站实施远程操作液压缸运动。在液压缸作用下锁紧爪径向向轴心移动伸出卡在外筒的锁紧爪槽里将旋转总成固定在壳体里，或锁紧爪径向向轴心相反方向缩回，放松旋转总成，便于在壳体里安装或取出旋转总成。锁紧状态指示杆33与液压缸活塞，锁紧状态指示杆与活塞杆分别位于活塞的左右两侧，锁紧状态指示杆在活塞的带动下进行伸出或缩回，显示锁紧爪是否关或开到位，可直观检查锁紧爪的位置状态。所有液压缸通过环形油管36并联，确保供液及压力均匀，与壳体外的液压站连接，控制所有液压缸同时打开或关闭。液压站通过两根油管将液压能源传输到液压缸上，通过远程液压站的操控，锁紧爪关闭或打开，实现更换旋转总成，无需拆卸防溢管或高空作业。

在放置或取出旋转总成时，要确保锁紧爪32处于收回状态，此时，锁紧状态指示杆33处于完成伸出状态(伸出壳体外部)，其工作状态见附图5a和b(以10个锁紧爪为例)。旋转总成放置到位后，锁紧爪32向靠近旋转总成方向伸出，环抱锁紧旋转总成，其工作状态见附图6a和b(以10个锁紧爪为例)，此时，锁紧状态指示杆33缩回至壳体内。

所述壳体的结构如图7-10所示。壳体顶部设置栽丝法兰41、往下依次设置支撑台阶42、锁紧爪孔43、四个返出口44、以及壳体底部的法兰45；支撑台阶42位于壳体内壁面，用于定位旋转总成。

所述壳体底部法兰45与井队环形防喷器或深水平台隔水管外筒连接。壳体顶部通过栽丝法兰41与防溢管或深水平台隔水管三段式伸缩管连接。旋转总成2安装在壳体内的支撑台阶42上，并由安装同一径向平面上的液压缸的锁紧爪32固定在壳体内。四个返出口44位于壳体的同一径向平面上且等间距分布，分别用于连接一个主返出管线、一个备用返出管线、一个灌浆管线和一个备用出口。钻杆、旋转总成和壳体形成泥浆返出井口的可带压的封闭流体通道。壳体4是由整体锻造然后精细加工而成，主要设计包括顶部栽丝法兰41、环形等距锁紧爪孔43、支撑台阶42、若四个返出口44、下部法兰45等。下部法兰45一般与陆地钻井平台和自升海洋钻井平台的环形防喷器6连接。钻杆穿过旋转总成胶芯形成钻具表面的密封，旋转总成通过密封圈30与壳体形成密封，从而密封井口环空，流体只能通过壳体出口流出到指定的地方，比如控压节流管汇等。

本发明的环形液压锁紧式的旋转控制头装置的加工设计要点如下：

(1)在壳体外侧设计加工若干个平面用于安装液压系统的液压缸；

(2)在壳体上设计加工若干个垂直与安装液压缸平面的锁紧爪孔；液压缸的数量与锁紧爪孔数量相同；

(3)所有的锁紧爪和液压缸位于同一径向平面等距通过螺栓固定在壳体外侧上；

(4)所有的液压缸并联，确保供液及压力均匀，与在壳体外的油管接头连接，保证所有液压缸同时打开或关闭；

(5)液压站通过两根液压油管将液压能源传输到液压缸上，实现远程操作液压机构的工作；

(6)锁紧爪与液压缸的活塞杆通过螺纹连接；

(7)液压缸活塞都带有锁紧状态指示杆，显示锁紧爪是否关或开到位。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种环形液压锁紧式的旋转控制头装置，其特征在于，包括防溢管、旋转总成、液压系统总成以及壳体；

所述防溢管的内径大于旋转总成的最大外径，防溢管上端设置与导流装置连接的接头；防溢管下端通过法兰与壳体顶部连接；

所述旋转总成设置在壳体内，所述旋转总成包括旋转部分和非旋转部分，旋转部分包括上胶芯总成、芯轴总成和下胶芯总成，非旋转部分位于上胶芯总成和下胶芯总成之间，非旋转部分由上密封端盖、外筒、下密封端盖、内部轴承组成；外筒的外部设置环形锁紧爪槽、密封槽和环形定位台阶；壳体内通过通径大小变化设置有一个支撑台阶与外筒外部的定位台阶配合一致，下入旋转总成时，定位台阶坐落在壳体内的支撑台阶上实现定位；

所述液压系统总成包括液压缸、锁紧爪和锁紧状态指示杆；所述液压缸有若干个，所有液压缸等间距环绕设置在壳体外侧,且所有液压缸位于同一径向平面上，所有液压缸之间通过双管道并联形成环形液压通路，每个液压缸正对的壳体壁面上开设一个锁紧爪孔，锁紧爪以可移动方式位于锁紧爪孔内，锁紧爪与液压缸的活塞杆通过螺纹连接；在液压缸作用下锁紧爪径向向轴心移动伸出卡在外筒的锁紧爪槽里将旋转总成固定在壳体里，或锁紧爪径向向轴心相反方向缩回，放松旋转总成，便于在壳体里安装或取出旋转总成；锁紧状态指示杆与液压缸活塞连接，锁紧状态指示杆与活塞杆分别位于活塞的左右两侧，锁紧状态指示杆在活塞的带动下进行伸出或缩回，以显示锁紧爪是否关或开到位。

2.如权利要求1所述的环形液压锁紧式的旋转控制头装置，其特征在于，所述液压系统总成还包括液压站和与液压站连接的两根油管；每个液压缸上设置两个进出油口，所有液压缸的两个进出油口并联连接到环形油管上，并在环形油管上设置两个油管接头；所述液压站连接两根油管，两根油管另一端分别通过两个接头与液压缸的环形油管连通。

3.如权利要求2所述的环形液压锁紧式的旋转控制头装置，其特征在于，所述壳体外侧环绕设置若干个等间距分别的平面板，液压缸安装在平面板上。

4.如权利要求1所述的环形液压锁紧式的旋转控制头装置，其特征在于，所述壳体顶部通过栽丝法兰与防溢管底部法兰螺栓连接。

5.如权利要求4所述的环形液压锁紧式的旋转控制头装置，其特征在于，所述壳体底部通过法兰与井队环形防喷器或深水平台隔水管外筒连接。

6.如权利要求1所述的环形液压锁紧式的旋转控制头装置，其特征在于，所述旋转部分与非旋转部分通过上下两个止推轴承相互轴向支撑、定位和旋转。

7.如权利要求6所述的环形液压锁紧式的旋转控制头装置，其特征在于，所述旋转部分与非旋转部分之间通过旋转密封圈形成旋转密封。

8.如权利要求1所述的环形液压锁紧式的旋转控制头装置，其特征在于，所述旋转总成的非旋转部分与壳体内部之间通过静密封圈形成静密封。

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