CN1737327B - 旋转式井口压力控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有快速接合机构的旋转式井口压力控制装置(RPCH)。该RPCH包括一上体和一下体。该快速接合机构允许其上体快速与下体分离并更换一新的上体。该上体包括一密封件和相对一外套旋转的一内套。所述密封件包括多个内腔。密封件内的该多个内腔控制密封件绕钻杆的收缩。

Description

旋转式井口压力控制装置

发明领域

本发明主要涉及对井口井喷的控制，特别是涉及一种旋转式井口压力控制装置，该装置具有一快速接合机构和一可换式、预先可变形的密封件。

发明背景

当井身内泥浆柱的静流重量小于地层压力时，就会存在井喷的可能性。当岩层向井身排出碳氢化合物时，井喷就会发生。碳氢化合物排入井身显著增加了井身所在井段内的压力。压力的增加将压力波传入井身直至地表。该压力波可以损坏井身内维持压力的设备。除压力波之外，由于碳氢化合物密度小于泥浆，因而也向上进入井身。如果碳氢化合物到达地表并通过已损坏的地表设备排出井身，则碳氢化合物很可能被正在地表进行操作的钻井设备或生产设备点燃。碳氢化合物的引燃会产生对钻井操作者而言极具危险的爆炸和/或燃烧。为了将井喷的风险降至最低，钻探设备需要使用多个不同的防喷器(BOPs)，诸如旋转防喷器、环形防喷器，防喷器闸板及全封闭防喷器闸板。本领域普通技术人员也应知晓其它类型的防喷器。各个防喷器设置在另一个之上，此外还有很多其它必须的地面设备管线，如氮气喷射的管线。叠加的防喷器及地面设备管线统称为防喷器组。典型的防喷器组如图1所示。

防喷器组设备中的一个是旋转防喷器。该旋转防喷器设置在防喷器组的顶部，是井身压力与空气压力之间的压力界线部分。该旋转防喷器通过使用挤靠钻杆、钻井用油管、套管或其它圆柱形元件(下文指钻杆)的环形橡胶或氨基甲酸乙酯密封件形成压力界限。该密封件允许钻杆插入并移出井身，而保持井身压力与空气压力间的压差。密封可以被成形，以使得该密封件利用井身压力挤靠钻杆或其它圆柱形元件。然而，大部分旋转防喷器利用一些机械型式，特别如液压机液体，以提供附加压力至密封件的外侧。密封件上的附加压力允许旋转防喷器用于更高的井身压力。

现有技术的旋转防喷器有很多缺陷。其中一个缺陷是钻杆的旋转逐渐磨坏该密封件。穿过旋转防喷器的管接头、下向钻眼工具及钻头的通过引起密封件反复膨胀和收缩，这也促使密封件日益磨损。当密封件已完全磨损时，它必须更换。密封件的更换仅当钻探作业停止时才能进行。钻探作业的反复停止导致生产率低下，因为需要更长时间钻井。加大密封件的寿命可以导致更少次数的更换，从而减少时间并提高产率。因此，存在对具有加长寿命密封件的旋转防喷器的需求。

美国专利号为6,129,152(‘152专利)，申请人为Hosie，发明名称为“旋转防喷器及方法”的专利公开了使用轴承以允许密封件与钻杆一起旋转。该轴承承受因旋转导致的磨损。因此，现有技术中存在对旋转防喷器设计上的需求，其中用于旋转密封件的轴承的寿命被加长。

现有技术中的一些旋转防喷器使用多个滚珠轴承以减少磨损。但是使用滚珠轴承的旋转防喷器要求，该旋转防喷器从井场移开，以便更换滚珠轴承。因而现有技术的更换方法浪费了时间，并导致井场的额外停机。如果旋转防喷器能用其它装备换出，则停机的减少意味着更高的生产率。因此，对旋转防喷器存在着可互换，并可快速接合并分离的需求。

现有技术的旋转防喷器，包括‘152专利的旋转防喷器遇到的另一个问题是，密封件的垂直高度增加了以允许密封件承受更高压力。API标准要求在防喷器组中在旋转防喷器下方使用一环形防喷器。在极端情况中，防喷器组能达到三十英尺高。钻井工程师一直在寻求能使防喷器组高度减少的方法。对于给定压力比率，密封件的高度减少可以减小旋转防喷器的高度，并因而减小防喷器组的高度。因此，存在着对比现有技术中的密封件更短的密封件的需求，且该密封件能保持与现有技术中的密封件相同的压差。

发明概述

满足上述要求的本发明是具有一快速接合机构的旋转式井口压力控制装置(RPCH)。该快速接合机构允许其上体快速与下体分离并更换一新的上体。RPCH包括一上体和一下体。该上体包括一密封件和相对一外套旋转的一内套。所述密封件包括多个内腔。密封件内的该多个内腔控制密封件绕钻杆的收缩。通过控制密封件绕钻杆的收缩，该密封件能够比相同尺寸的密封件承受更高的井身压力。而且，对于给定的井身压力，本发明的密封件比现有技术的密封件设计要短。该较短的密封件与快速接合机构的结合允许RPCH比现有技术的旋转防喷器短很多。因此，使用RPCH的防喷器组比使用现有技术的旋转防喷器的防喷组更短。

在优选实施例中，密封件在上体内旋转。该优选实施例使用设置在上体的最上和最下端上的多个轴承。配置一组轴承以支撑设置在上体上的水平负载。第一组轴承与第二组轴承之间有效负荷的位置与分配减少了由旋转钻杆所引起的末端上的谐和振动，从而延长轴承的使用寿命。

附图简要说明

本发明所认为的新特性在所附的权利要求中体现了。但是，本发明本身，和最佳使用方式，进一步的目的及其优点在参考下文结合附图阅读具体实施例的详细描述时将更易于理解，其中：

图1是现有技术的防喷器组，其包括一旋转防喷器，一防喷器闸板，全封闭防喷器闸板和注气部件；

图2是具有旋转式井口压力控制装置，环形防喷器闸板，全封闭防喷器闸板和注气部件的防喷器组；

图3是上体的横剖正视图；

图4是沿图3中4-4线的上体的平面图；

图5A是沿图3中5A-5A线的上体的横剖平面图；

图5B是沿图3中5B-5B线的上体的横剖平面图；

图5C是沿图3中5C-5C线的上体的横剖平面图；

图6是下体的平面图；

图7是沿图6中7-7线的下体的横剖正视图；

图8是上体与下体对准的正视图；

图9是上体插入下体的正视图；

图10是上体与下体紧固的正视图；

图11是沿图9中11-11线的上体插入下体的横剖平面图；

图12是沿图10中12-12线的上体紧固下体的横剖平面图；

图13是沿图11中13-13线的上体插入下体的横剖正视图；

图14是沿图12中14-14线的上体紧固下体的横剖正视图；

图15A和B是本发明的分解图；

图16是具有松开状态的密封件的本发明的横剖视图；

图17是具有收缩状态的密封件的本发明的横剖视图；

图18是具有膨胀状态的密封件的本发明的横剖视图；

图19是具有改进的旋转式井口压力控制装置，环形防喷器闸板，全封闭防喷器闸板与注气部件的防喷器组；

图20是改进的下体的正视图；

图21是沿图20内21-21线的改进的下体的横剖视图。

优选实施例详细说明

图2是使用本发明防喷器组的视图，旋转式井口压力控制装置(RPCH)100代替了图1中的现有技术的旋转防喷器。RPCH100固定成防喷器组，该防喷器组包括现有技术中的环形防喷器闸板，现有技术中的全封闭防喷器闸板，现有技术中的防喷器闸板和现有技术中的注气部件。本领域普通技术人员也能理解下述情况，即当井身压力不到1500psi时，RPCH100不仅可以更换现有技术的旋转防喷器，而且也可以随意更换环形防喷器闸板，全封闭防喷器闸板和防喷器闸板。本发明更换现有技术的旋转防喷器，环形防喷器闸板，全封闭防喷器闸板和防喷器闸板的这种使用极大减小了防喷器组的高度。RPCH100具有上体102和下体104。此外，如下文将进一步讨论的(参见附图19至附图21)，下体104可以被改进为包括用于连接至一分离器的出口103。

图3是上体102的横剖正视图。上体102包括外套108，内套106，套筒109，密封件110和定位环126。多个上部快速接合螺纹121设置在外套108外表面的最下体。该上部快速接合螺纹121与下体104(图3中未显示)上的多个下部快速接合螺纹118相配合。外壳108还包括锁定片122，它与下体104上的锁定片122相配合。孔116是位于外套108内的孔。

内套106在外套108内旋转。上部轴承112支撑设置在内套106上的垂直载荷。下部轴承114支撑设置在内套106上的水平载荷。如果需要，其它轴承也可以设置在内套106的上部上，以便进一步支撑设置在内套106上的水平载荷。第一衬垫120设置在上部轴承112和下部轴承114的每侧上。第一衬垫120保持上部轴承112和下部轴承114足够润滑，以减小上部轴承112和下部轴承114上的摩擦磨损。内套106也包括将外套108内的孔116连接到密封件110内的每个空腔111的第一通道117。底123通过螺纹啮合，或通过本领域普通技术人员所知晓的任何其它合适方式固定到内套106上。

密封件110设置在套筒109内。套筒109设置于内套106内。套筒109被内套106和定位环126固定在适当位置。套筒109被连接到密封件110，并适于密封件110插入并脱离内套106。内套106在密封件110和内套106之间具有第二衬垫130。密封件110包含多个空腔111。孔116和第一通道117被设置，于是当密封件110和内套106相对外套108旋转时，液压机液体(未显示)能够穿过孔116，第一通道117，通道孔115(参见附图5A)，第二通道113(参见附图5A)并进入密封件110内的空腔111。液压机液体也能从第一通道117进入外套102和内套106之间的小空间，以提供用于旋转内套106的润滑。

图4是沿图3中4-4线的上体102的平面图。锁定片122在图3中可以看见。如图3所示，圆柱孔138沿外套108、内套106、密封件110和定位环126的中轴存在。圆柱孔138允许钻杆穿过上体102。在正常操作情况下，密封件110内的圆柱孔138的内径小于外套108内的孔的内径。这种结构允许密封件110绕着钻杆(未显示)形成密封，而不会使钻杆接触外径108。可是，密封件110由柔性材料制成，并能膨胀直至密封件110内径与外套108内的孔的内径相同。当密封件110膨胀时，钻头或下向钻眼工具能完全穿过上体102。

图5A是沿图3中5A-5A线的上体的横剖平面图，图5B是沿图3中5B-5B线的上体的横剖平面图，图5C是沿图3中5C-5C线的上体的横剖平面图。图5A，5B和5C显示了上体102，特别是密封件110的形状和连接详情。图5A显示外套108内的孔116，内套106内的第一通道117，密封件110内的空腔111间的连接。锁定片122在图5A中可见。图5B显示密封件110内的空腔111的形状。图5B还显示内套106，套筒109，密封件110，外套108和上部快速啮合纹121。图5C显示内套106，套筒109，密封件110和外套108。密封件110可以以本领域普通技术人员所知晓的很多种方式成形。在优选实施例中，密封件110通过将液态氨基甲酸乙酯灌入带模子的圆柱体内，随后在氨基甲酸乙酯固化为所需形状后移走该模子而形成。移走圆柱体的顶和底后，且在圆柱体内切孔以露出密封件的内腔后，该圆柱体就变成套筒109。本领域普通技术人员会知道形成密封件110的其它方法，且密封件110可以由橡胶、热塑橡胶、塑料、氨基甲酸乙酯或任何其它具有所需特性的弹性体或弹性材料制成。

将加压的液压机液体引入密封件110的腔111内，促使密封件110向内膨胀以在钻杆上形成压力保持密封。加压的液压机液体流经孔116进入第一通道117。加压的液压机液体从第一通道117流经多个通道孔115进入第二通道113并进入腔111(也参见图15A和15B)。腔111的形状是这样的，使得腔111、内套106和套筒109以一种控制并可预知的方式将密封件110压缩紧靠钻杆。不像现有技术的密封件，当其被压入旋转钻杆时，它以不可预知方式折叠、扭曲、皱折并弯曲，当本发明的密封件110向内膨胀时，其内壁扭曲。密封件110的扭转作用导致钻杆与密封件110之间产生几乎对所有钻探作业而言都足够的压力密封。

本领域普通技术人员可以理解，由液压机液体产生的腔111的加压可以被来自钻探泥浆或产出液的压力所补充或替换。在这种实施例中，腔111可以部分或完全暴露于钻探泥浆或采出液。举例来说，在一替换实施例中，腔111底部可以开口，于是在密封件110底部所截取的横截面与图5B中所示的密封件110的横截面相同。可选择地，腔111的入口可以是位于密封件110底部内的通孔(未显示)。在这种实施例中，作为很小的孔116可以关闭。而且，在这种实施例中，内套106可以制造成没有通道孔115和第二通道113，从而防止钻探泥浆进入内套106和外套102之间的微小空间。此外，这种实施例允许孔116保持打开状态，用于引入液压机液体，使其穿过孔116和第一通道117润滑内套106和外套102之间的空间。

密封件110与钻杆之间的密封足够强，使得密封件110的垂直高度可以小于现有技术密封件所要求的高度。举例来说，现有技术的旋转防喷器需要垂直高度几乎达到五十五英寸的密封件。本发明的密封件110仅用十五英寸的垂直高度就可保持同样的压力。更短的密封件110意味着RPCH100更短，因而减小了防喷器组的整个高度。

本发明的另一优点在于密封件110能够完全封闭井身。当钻杆移出密封件110的中心部时，加压的液压机液体能够进入腔111，使得密封件110的内壁缩向自身，从而封闭井身。在此作业中，密封件110能够实现与环形防喷器或全封闭防喷器闸板相同的功能，并能够抑制井身压力直至1500psi。如果本发明装配一机构，该机构在上体102内的孔上设置一板，使得该板接触密封件110，那么本发明就能够抑制钻探作业中所遇到的几乎任何压力。

图6是下体104的平面图。下体104包括锁定片122和下部快速接合螺纹118。下体104上的下部快速接合螺纹118与上体102上的上部快速接合螺纹121相配合。当下体104上的下部快速接合螺纹118与上体102上的上部快速接合螺纹121啮合时，下体104上的锁定片122与上体102上的锁定片122相配合。一锁或其它装置可以穿过锁定片122设置，以防止上体102和下体104的意外脱离。法兰联接124将下体104连接到图2所示剩余的防喷器组上。图7是沿图6中7-7线的下体104的横剖正视图。锁定片122的方向，下部快速接合螺纹118，法兰联接124和第三衬垫127能够在图7中清楚地看到。

本发明如此设计，使得上体102可以快速移去并更换。此处所描述的快速接合机构允许钻井操作者将旧的上体102转动一很小的量，移去该旧上体102，用一新上体102对准下体104，将该新上体102插入下体104，并将新上体102紧固到下体104。图8-14显示了本发明的对准、插入和紧固步骤。图8是上体102与下体104对准的正视图(下体104以剖面显示)。当使用者将上体102与下体104对准时，该对准步骤发生。当上体102内的上部快速接合螺纹121与下体104内的快速接合螺纹118之间的空间时，上体102就完全与下体104对准，反之亦然。上体102的快速接合与脱离是使用了与后装式大炮的枪闩设计中所使用的同样的速度与强度原理获得的。

图9是上体102插入下体104中的正视图(下体104以剖面显示)。当上体102的下段插入下体104的上段时，该插入步骤发生。在该插入步骤中，上体102上的上部快速接合螺纹121对准，但并未与下体104上的下部快速接合螺纹118啮合。图11是沿图9中11-11线的上体102插入下体104中的横剖平面图。图13是沿图11中13-13线的上体102旋转后，上体102插入下体104的横剖正视图。图11和13都显示了上体102上的上部快速接合螺纹121的对准，但未啮合下体104上的下部快速接合螺纹118的运动。

图10是上体102紧固于下体104中的正视图(下体104以剖面显示)。当上体102紧固到下体104中时，该紧固步骤发生。在该紧固步骤中，上体102上的上部快速接合螺纹121与下体104上的下部快速接合螺纹118啮合。上体102可以仅仅旋转二十度或者最多旋转四十五度以与下体104充分啮合。图12是沿图10中12-12线的上体102紧固下体104的横剖平面图。图14是沿图12中14-14线的上体102紧固下体104的横剖正视图。图12和14都显示了上体102上的上部快速接合螺纹121与下体104上的下部快速接合螺纹118的啮合。

图15A和15B是本发明的分解图。图15A显示了上体102的大部分连接机构，包括外套108，上部轴承112，第一衬垫120，下部轴承114和内套106。图15B显示上体102的剩余部分：密封件110，套筒109和定位环126。图15B还显示了包括法兰联接124(参见图7)和用于将法兰联接124紧固到防喷器组(参见图2)的六角螺母的下体104。

图16至18描述了旋转式井口压力控制装置100，其连接到开关132，液压泵134和真空泵136上，从而正压或负压能够通过经孔116，第一通道117，通道孔115和第二通道113传送至腔111的正或负压而施加到密封件110上。参见附图16，密封件110在大气压下是松驰的，因为开关132位于中间位置，所以即没有正压也没有负压施加。参见图17，当开关132与液压泵134连接，泵送液体至腔111，从而使得密封件110形成围绕钻杆的密封，或者如果没有钻杆则密封件110完全封闭时，正压被施加。参见图18，当开关132与真空泵136连接，降低腔111内的促使密封件向内移动的压力，并膨胀圆柱孔138时，负压被施加。施加负压以膨胀密封件110的圆柱孔138便于钻头或下向钻眼工具穿过上体102的通道。本领域普通技术人员知道施加至腔111的压力可以被一阀(未显示)调整，且该阀可以人工、自动响应监控环形回流压力的传感器或被连接至该阀与该传感器(未显示)的计算机操作。

图19至图21描述了改进的旋转式井口压力控制装置101。改进的旋转式井口压力控制装置具有改进的下体105和旋转式井口压力控制装置100的上体102。改进的下体105具有与下体104相同的特性，但是被增大并适于容纳出口107。出口107适于啮合至连接到分离器的一阀和管上。改进的旋转式井口压力控制装置101除了添加连接到分离器的出口107的优点外，还进一步降低了井身上的防喷器组的高度。尽管改进的下体105的高度大于下体104的高度，但是还是获得了高度的降低，这是由于添加到下体104上的出口107消除了对一组用于分离出口103的夹持器的需求(参见附图2)。

当本发明的优选实施例使用一旋转密封件110时，本领域普通技术人员会理解，固定的密封件110也可以使用。在替换实施例中，密封件110直接连到外套108，对于内套106，上部轴承112，下部轴承114和第一衬垫120的需要也取消了。该可替换实施例结构简单并且不贵，但是密封件110具有较短的使用寿命。本领域普通技术人员最好知道哪个实施例最适于单个的作业。

关于上文的描述，人们应能认识到，本发明各部件的包括在尺寸、材料、形状、结构、功能、操作方式、装配及用途上变化的最佳尺寸关系对于本领域普通技术人员而言是显而意见的。本发明包含了附图中所显示与说明书所描述的所有的等效关系情况。本发明的新颖性精神还包括在该公开中所含的很多步骤的重排或删除。本发明的精神除了通过后面的权利要求的合适结构进行限外，不被其它任何形式所限定。

Claims (19)

1.一种旋转式井口压力控制装置，包括：

一上体，其具有一外套和相对该外套旋转的一内套；

固定在内套内的密封件，和所述密封件具有多个内腔和多个孔，所述孔将多个内腔连到加压液体；

一下体；

其中该上体具有多个上部快速接合螺纹，该下体具有多个下部快速接合螺纹，且其中该上体的上部快速接合螺纹与下体的下部快速接合螺纹互锁而与下体啮合。

2.如权利要求1所述的旋转式井口压力控制装置，其中多个内腔被加压液体的膨胀促使密封件的内壁压缩紧靠钻杆。

3.如权利要求1所述的旋转式井口压力控制装置，其中该密封件还包括：

一大致圆柱形的外表面；

一大致圆柱形的与外表面同心并具有比外表面更小直径的内表面；

一被内表面外部限定的中心孔，该中心孔的尺寸被设计成允许一钻杆通过；

其中多个内腔设置在内表面与外表面之间的密封件内，每个内腔具有穿过外表面的开口；

其中一旦加压液体经每个开口引入内腔，外表面的直径保持固定，而内表面的直径减小；以及

其中当内表面的直径减小时，内腔控制内表面的变形。

4.如权利要求2所述的旋转式井口压力控制装置，其中该多个内腔使得密封件的内壁通过扭转作用压缩紧靠钻杆。

5.如权利要求1所述的旋转式井口压力控制装置，其中该下体具有适于连到一分离器上的出口。

6.如权利要求1所述的旋转式井口压力控制装置，其中该内套通过被配置以支撑放置于上体上的垂直载荷的第一轴承并被配置以支撑放置在上体上的水平载荷的第二轴承与外套旋转啮合。

7.如权利要求6所述的旋转式井口压力控制装置，其中第一轴承与第二轴承之间有效负荷的分配减少了由钻杆旋转所引起的很多谐和振动。

8.如权利要求2所述的旋转式井口压力控制装置，其中由于借助固定于外套内的孔上的真空泵而减少了内腔中的压力，因而致使密封件的内壁从钻杆移开。

9.如权利要求2所述的旋转式井口压力控制装置，其中该加压液体是钻探泥浆。

10.如权利要求2所述的旋转式井口压力控制装置，其中该加压液体是液压机液体。

11.如权利要求2所述的旋转式井口压力控制装置，其中该加压液体经外套内的孔，内套内的第一通道，内套中的多个孔，内套中的第二通道进入多个内腔。

12.如权利要求2所述的旋转式井口压力控制装置，其中该加压液体经密封件内的多个孔直接进入多个内腔。

13.如权利要求1所述的旋转式井口压力控制装置，还包括：

其中多个内腔被加压液体膨胀，从而促使密封件的内壁压缩紧靠钻杆；以及

其中该内套通过被配置以支撑放置于上体上的垂直载荷的第一轴承并被配置以支撑放置在上体上的水平载荷的第二轴承与外套旋转啮合。

14.如权利要求13所述的旋转式井口压力控制装置，其中该加压液体经外套内的孔，外套内的第一通道，内套中的多个孔，内套中的第二通道进入多个内腔。

15.如权利要求13所述的旋转式井口压力控制装置，其中该加压液体是直接进入多个内腔的钻探泥浆。

16.如权利要求1所述的旋转式井口压力控制装置，其中：

在锁定位置与开锁位置之间，上体相对下体在二十度和四十五度之间旋转；

当上体位于开锁位置时，上体不需进一步的旋转就能从下体移开。

17.如权利要求2所述的旋转式井口压力控制装置，其中横剖看时，该多个内腔为三角形。

18.一种防喷器，包括如权利要求1所述的旋转式井口压力控制装置。

19.一种钻探设备，包括如权利要求1所述的旋转式井口压力控制装置。

Images