一种海底卧式换钻头更换装置的制作方法

本发明涉及海洋石油天然气钻井装备技术领域，特别涉及一种海底卧式换钻头更换装置。

背景技术：

随着陆地油气资源的短缺，世界沿海国家陆续对海洋油气资源进行了勘探与开采，且对海洋油气资源的勘探与开采已逐步成为国内外油气工业发展的主要趋势。此外，随着我国经济持续高速增长，油气资源供应不足将成为阻碍经济发展的主要矛盾，为提高油气资源的占有量，海洋油气的勘探和开采已经成为我国实现能源可持续发展的战略重点。

海洋油气的开采发展至今，钻井开采仍为油、气开采的主要方式。一口油气井从开钻到完井，需进行以下三项主要工作：破碎井底岩石、将破碎的岩石(即岩屑)运移至海洋平台、完成固井，而钻头是钻井工程中用以破碎岩石、形成井筒的关键破岩工具。在现有技术中，当钻头被地层磨损，或钻头遇到硬地层、研磨性地层、页岩层等复杂地层时，需将井底旧钻头起钻至海洋平台以更换新钻头；起钻时，需使用液压大钳将钻杆单根一一卸扣拆下，从而使旧钻头提升至海洋平台，并在海洋平台上对被磨损的旧钻头进行更换，或更换与复杂地层不相匹配的旧钻头。当旧钻头更换完成后，需进行下钻作业，下钻时，需使用液压大钳将钻杆单根一一上扣形成钻柱，从而使新钻头下入井底。当新钻头下入井底后，重新开泵进行钻井作业，进而实现提高钻井速度、降低钻井综合成本的目的。

然而更换旧钻头带来的起钻、下钻作业时间长，增加了海洋油气井的钻井周期和提高了劳动强度，大大增加了钻井成本。

技术实现要素：

为了克服现有更换钻头装备的上述缺点，本发明的目的在于提供一种海底卧式换钻头更换装置，该装置可在海底井口装置处对旧钻头进行更换作业，以缩短钻头的起钻时间和钻头的下钻时间，进而缩短海洋油气井的钻井时间。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种海底卧式换钻头更换装置，由前后、左右、上下推拉系统3，以及翻转油缸系统4、夹持系统5、隔离油缸系统6、动力钳系统7和密封壳体8构成，其特征为：密封壳体8的左侧底部螺栓连接有左右推拉系统1；左右推拉系统1上侧螺栓连接前后推拉系统1；前后推拉系统1上侧螺栓连接有上下推拉系统3；上下推拉系统3右侧螺栓连接有翻转油缸系统4；翻转油缸系统4与夹持系统5销轴连接；密封壳体8右侧内螺栓连接有动力钳系统7；隔离油缸系统6位于密封壳体8中心位置；

所述前后、左右、上下推拉系统3均由电机、滑轨和滚珠丝杆构成；所述上下推拉系统3的竖直支撑板34下端与前后推拉系统1螺栓连接；竖直支撑板34的右侧螺栓连接有滑轨和滚珠丝杆，滑轨的右侧螺栓连接有支撑板连接；所述连接支撑板33右侧与翻转油缸系统4螺栓连接；

所述翻转油缸系统4包括悬挂臂41、翻转油缸42、悬挂筒43和翻转臂45构成；所述悬挂臂41呈7字型，悬挂臂41的左端面设计有通孔，螺栓穿过通孔将悬挂臂41紧固于连接支撑板33右端面；悬挂臂41的左端面设计有双耳环，销轴穿过双耳环和翻转油缸42的单耳环，并使翻转油缸42与悬挂臂41形成销轴连接；悬挂臂41的顶部右侧设计有矩形槽，矩形凹槽44表面设计有销孔，销轴穿过销孔和翻转臂45的销孔，并使翻转臂45与悬挂臂41形成销轴连接；所述翻转油缸42活塞杆的单耳环与悬挂筒43的双耳环销轴连接；

所述悬挂筒43呈圆筒状，悬挂筒43的上侧外表面焊接有双耳环和翻转臂45，悬挂筒43的双耳环与翻转油缸42形成销轴连接，悬挂筒43的翻转臂45与悬挂臂41形成销轴连接；悬挂筒43的左端面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔将电机紧固于悬挂筒43的左端面；所述悬挂筒43内表面安装有夹持系统5。

一种海底卧式换钻头更换装置，其特征为：所述夹持系统5包括安装筒51、夹持油缸52和夹爪56，所述安装筒51呈筒状，安装筒51与悬挂筒43之间安装有滚珠；安装筒51下端面与电机的转轴形成花键连接；安装筒51的上表面设计有通孔，螺栓穿过通孔并将夹持油缸52的缸体53紧固于安装筒51的上端面；所述缸体53的下端面设计有矩形凸块57，矩形凸块57的端面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔将缸体53紧固于安装筒51的上端面；缸体53的端面螺栓连接有法兰端盖55，活塞杆穿过法兰端盖55并安装于缸体53内；活塞杆的端部与夹爪56螺纹连接。

与现有技术比较，本发明的有益效果是：1.本发明可在海底进口装置处对旧钻头进行更换作业，可缩短钻头的起钻时间和钻头的下钻时间，进而降低海洋石油天然气资源钻井开采的综合成本。2.本发明的夹持系统可以前后、左右、上下运动，进而可以一次性布置较多的钻头。

附图说明

图1为上下、前后推拉系统与翻转油缸系统连接的三维示意图。

图2为上下推拉系统和前后推拉系统的连接的示意图。

图3为翻转油缸系统的三维示意图。

图4为不同角度下翻转油缸系统的三维示意图。

图5为悬挂筒与夹持系统连接的示意图。

图6为悬挂筒与夹持系统连接三维剖视图。

图7为夹持系统的三维剖视图。

图8为夹持油缸的剖视图。

图9为缸体的三维视图。

图10为安装筒是三维剖视图。

图11为本发明各系统处于初始状态时的示意图。

图12为动力钳松扣时的示意图。

图13为夹持系统使钻头和钻杆分离时的示意图。

图14为夹持系统移运旧钻头至钻头更换位置时的示意图。

图15为夹持系统拆卸下新钻头时的示意图。

图16为夹持系统夹持新钻头至钻杆处，并使钻头与钻杆初始连接时的示意图。

1.前后推拉系统；

2.左右推拉系统；

3.上下推拉系统，31.滑轨，32.滚珠丝杆，33.连接支撑板，34.竖直支撑板；

4.翻转油缸系统，41.悬挂臂，42.翻转油缸，43悬挂筒，44.矩形槽，45.翻转臂；

5.夹持系统，51.安装筒，52.夹持油缸，53.缸体，54.活塞杆，55.法兰端盖，56.夹爪，57.矩形凸块；

6.隔离油缸系统；

7.动力钳系统；

8.密封壳体；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细叙述。

参照图1～2，以及图11～16，一种海底卧式换钻头更换装置，由前后、左右、上下推拉系统3，以及翻转油缸系统4、夹持系统5、隔离油缸系统6、动力钳系统7和密封壳体8系统构成。密封壳体8的左侧底部螺栓连接有左右推拉系统1；左右推拉系统1上侧螺栓连接前后推拉系统1；前后推拉系统1上侧螺栓连接有上下推拉系统3；上下推拉系统3右侧螺栓连接有翻转油缸系统4；翻转油缸系统4与夹持系统5销轴连接；密封壳体8右侧内螺栓连接有动力钳系统7；隔离油缸系统6位于密封壳体8中心位置。

海底换钻头装置的工作原理为：参照图11，旧钻头正常钻井时，隔离油缸系统6的活塞杆处于伸长的状态，使隔水管与井口装置连通，从而防止钻井时的循环泥沙进入密封壳体8的左右两侧。参照图12，当需要更换旧钻头时，需将钻头提升至海底井口装置处，关闭泥浆泵，且使隔离油缸系统6的活塞杆收回，并将旧钻头提升至动力钳的高度处，然后启动动力钳处的电机，使滚珠丝杠旋转，进而使动力钳系统7伸出至旧钻头处；最后启动动力钳，使动力钳夹紧旧钻头进行松扣作业。参照图13，当钻头卸扣作业即将完成时就停止卸扣，并启动动力钳处的电机使滚珠丝杠旋转，进而使动力钳系统7收回至原始位置；然后使夹持系统5处于竖直状态，启动左右推拉系统1处的电机使滚珠丝杠旋转，进而使夹持系统5运动至旧钻头处；再使夹持系统5的活塞杆夹紧旧钻头进行旋转作业，从而使旧钻头彻底与钻杆分离。参照图14，当旧钻头与钻杆分离后，启动水平推拉系统处的电机，使滚珠丝杠旋转，进而使夹持系统5回退至钻头悬挂架处；当夹持系统5夹持旧钻头运动至钻头悬挂架，再旋转电机使夹持系统5旋转，从而使旧钻头安装于钻头悬挂架。参照图15，当旧钻头安装于悬挂架后，启动左右推拉系统1处的电机，使滚珠丝杠旋转，进而夹持系统5退出旧钻头的安装位置；当夹持系统5退出旧钻头安装位置后，启动左右推拉系统1和水平推拉系统，使夹持系统5运动至新钻头处后，夹持系统5的活塞杆伸出并夹紧新钻头，并启动电机，使夹持系统5旋转，进而使新钻头与悬挂架分离。参照图16，当新钻头与悬挂架分离后，启动水平推拉系统、上下推拉系统3、左右推拉系统1，进而使夹持系统5运动至钻杆处；当新钻头运动至钻杆处后，使悬挂系统处的电机旋转，进而使新钻头与钻杆连接，实现初步上扣；当新钻头与钻杆初步上扣完成后，再次启动水平推拉系统、上下推拉系统3、左右推拉系统1，使夹持回退至原始位置；最后使动力钳运动至新钻头处，再启动动力钳对新钻头进行紧扣作业。动力钳紧扣作业完成后回退至初始位置，并使隔离油缸系统6的活塞杆伸出，从新建立隔水管与井口流动通道。

参照图1～2，所述前后、左右、上下推拉系统3均由电机、滑轨和滚珠丝杆构。所述前后推拉系统1使夹持系统5前后移动；左右推拉系统1使夹持系统5左右移动；上下推拉系统3使夹持系统5上下移动，所述上下推拉系统3还起到安装翻转油缸系统4的作用。所述上下推拉系统3的竖直支撑板34下端与前后推拉系统1螺栓连接；竖直支撑板34的右侧螺栓连接有滑轨31和滚珠丝杆32，滑轨31的右侧螺栓连接有支撑板连接；所述连接支撑板33右侧与翻转油缸系统4螺栓连接。

参照图3～4，所述翻转油缸系统4起到安装夹持系统5，并使夹持系统5翻转为水平或竖直状态。所述翻转油缸系统4包括悬挂臂41、翻转油缸42、悬挂筒43和翻转臂45构成；所述悬挂臂41起到连接上下推拉系统3的作用，并为夹持系统5提供安装位置；所述翻转油缸42起到翻转夹持系统5，使夹持系统5处于水平或者竖直的状态；所述悬挂筒43起到安装电机和安装夹持系统5作用；所述翻转臂45起到翻转夹持系统5的作用。

所述悬挂臂41呈7字型，悬挂臂41的左端面设计有通孔，螺栓穿过通孔将悬挂臂41紧固于连接支撑板33右端面。悬挂臂41的左端面设计有双耳环，销轴穿过双耳环和翻转油缸42的单耳环，并使翻转油缸42与悬挂臂41形成销轴连接。悬挂臂41的顶部右侧设计有矩形槽，矩形凹槽44表面设计有销孔，销轴穿过销孔和翻转臂45的销孔，并使翻转臂45与悬挂臂41形成销轴连接。

参照图3～4，所述翻转油缸42的左、右端设计有单耳环；翻转油缸42的左单耳环与悬挂臂41的双耳环配合，并形成销轴连接；翻转油缸42的右单耳环与悬挂筒43的双耳环配合，并形成销轴连接。

所述悬挂筒43呈圆筒状，悬挂筒43的上侧外表面焊接有双耳环和翻转臂45；悬挂筒43的双耳环与翻转油缸42的右单耳环形成销轴连接；悬挂筒43的翻转臂45与悬挂臂41形成销轴连接。悬挂筒43的左端面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔将电机紧固于悬挂筒43的左端面。所述悬挂筒43内表面安装有夹持系统5，所述夹持系统5与悬挂系统之间安装有球形滚珠。

参照5～图7，所述夹持系统5包括安装筒51、夹持油缸52和夹爪56；所述安装筒51用于安装夹持油缸52，并传递电机的旋转运动；所述夹持油缸52用于夹紧钻头，并在电机旋转作用下，从而使钻头与钻头悬挂架分离，或使钻头与钻杆初始连接；所述夹爪56用于接触钻头，并夹持钻头。

参照图7，所述安装筒51呈筒状，安装筒51与悬挂筒43之间安装有滚珠；安装筒51下端面与电机的转轴形成花键连接，从而传递电机的旋转运动。安装筒51的上表面设计有通孔，螺栓穿过通孔并将夹持油缸52的缸体53紧固于安装筒51的上端面。

参照图8～10，所述夹持油缸52系统包括缸体53、活塞杆、法兰端盖55和夹爪56。所述缸体53的下端面设计有矩形凸块57，矩形凸块57的端面设计有螺纹孔，螺栓穿过螺纹孔将缸体53紧固于安装筒51的上端面。缸体53的端面螺栓连接有法兰端盖55，活塞杆54穿过法兰端盖55并安装于缸体53内。缸体53的上表面与挡板图中未画出接触，挡板与悬挂筒43螺栓连接，用于限制夹持油缸52系统的轴向位移。活塞杆54的端部与夹爪56螺纹连接。