一种夹爪式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，特别涉及一种夹爪式钻头更换装置。

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夹爪式钻头更换装置，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：

1.一种夹爪12式换钻头更换装置，由夹爪系统1、旋转系统2、水平推拉系统3、举升油缸系统4、隔离油缸系统5、动力钳系统6和密封壳体7构成，其特征为：所述密封壳体7左侧底部螺栓连接有举升油缸系统4，矩形油缸系统顶部螺纹连接有水平推拉系统3，水平推拉系统3左侧螺栓连接有旋转系统2，旋转系统2顶部与夹爪系统1连接；密封壳体7右侧安装有动力钳系统6，隔离油缸系统5位于密封壳体7中心；

所述夹爪系统1由安装架11、夹爪12、双孔连杆13、三孔连杆14、涡轮15、蜗杆16构成；所述安装架11的上部和中部均设计有销孔，上销孔与双孔连杆13的下端形成销轴连接，下销孔与三孔连杆14的下端形成销轴连接，所述双孔连杆13与三孔连杆14的上端均与夹爪12形成销轴连接；安装架11的中部安装有齿轮，齿轮与安装架11形成销轴连接，齿轮与三孔连杆14有两处销轴连接点，齿轮与齿轮之间安装有蜗杆16，所述齿轮与蜗杆16相互啮合；安装架11的下端设计有带通孔的圆环，螺栓穿过通孔将安装架11紧固于旋转系统2端面；安装架11圆环的内侧设计有横板17，螺栓穿过横板17将电机紧固于横板17端面。

2.根据权利要求1所述的一种夹爪12式钻头更换装置，其特征为：所述水平推拉系统3由安装筒31、小齿轮32、直齿条33、滑轨34、滑轨座35和限位块36构成；所述安装筒31与旋转系统2之间安装有滚珠，安装筒31的下端面螺栓连接有电机，电机与旋转筒21之间形成花键连接；安装筒31的外表面右下侧焊接有滑轨34，滑轨34安装与滑轨座35内，滑轨34的右端面与限位块36螺栓连接；安装筒31的外表面右上侧设计双耳环，销轴穿过直齿条33的单耳环并使安装筒31与直齿条33形成销轴连接；所述直齿条33与小齿轮32相互啮合，小齿轮32与电机连接，电机与滑轨座35螺栓连接。

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.本发明采用卡块卡入钻头台阶面的方式使钻头悬挂，从而简化了取下新钻头和上挂旧钻头的复杂操作。

附图说明

图1为升举油缸系统、水平推拉系统和夹爪系统的三维示意图。

图2为夹爪系统三维示意图。

图3为不同角度下夹爪系统三维示意图。

图4为安装架三维示意图。

图5为夹爪系统部分零件示意图。

图6为安装架与电机和蜗杆的安装示意图。

图7为安装架与旋转系统的三维示意图。

图8为水平推拉系统三维示意图。

图9为不同视角下水平推拉系统的三维示意图。

图10为举升油缸系统的三维示意图。

图11为油缸安装座与法兰端盖的连接示意图。

图12为本发明各系统处于初始状态时的示意图。

图13为动力钳松扣时的示意图。

图14为夹持系统使钻头和钻杆分离时的示意图。

图15为夹持系统移运旧钻头至钻头更换位置时的示意图。

图16为夹持系统拆卸下新钻头时的示意图。

图17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.夹爪系统，11.安装架，12.夹爪，13.双孔连杆，14.三孔连杆，15.涡轮，16.蜗杆，17横板；

2.旋转系统，21.旋转筒，22.旋转电机；

3.水平推拉系统，31.安装筒，32.小齿轮，33.直齿条，34.滑轨，35.滑轨座，36.限位块；

4.举升油缸系统，41.法兰端盖，42油缸安装座；

5.隔离油缸系统，6.动力钳系统，7.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1，以及图12～图17，一种夹爪12式钻头更换装置，由夹爪系统1、旋转系统2、水平推拉系统3、举升油缸系统4、隔离油缸系统5、动力钳系统6和密封壳体7构成。其特征为：所述密封壳体7左侧底部螺栓连接有举升油缸系统4；矩形油缸系统顶部螺纹连接有水平推拉系统3；水平推拉系统3的安装筒31内螺栓连接有旋转系统2；旋转系统2顶部与夹爪系统1螺栓连接；密封壳体7右侧安装有动力钳系统6；隔离油缸系统5位于密封壳体7中心位置处。

海底换钻头装置的工作原理为：参照图12，旧钻头正常钻井时，隔离油缸系统5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7的左右两侧。参照图13，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5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6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14，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6收回至原始位置；然后启动举升油缸系统4处的电机，使举升油缸旋转180°，从而使夹爪系统1旋转至举升油缸系统4的右侧；再启动水平推拉系统3的电机，使夹爪系统1运动至旧钻头底部；再然后启动蜗杆16处的电机，使夹爪12收并夹紧旧钻头；当旧钻头被夹紧后，启动旋转系统2处的电机，使夹爪系统1旋转，从而使旧钻头与钻杆彻底分离。参照图15，当旧钻头与钻杆分离后，启动举升油缸系统4处的电机，使夹持系统旋转180°，从而使夹爪系统1旋转至举升系统的左侧，并控制控制举升油缸系统4的高度、夹爪系统1的水平位置，使旧钻头对准空置的钻头安装位置，最后使钻头安装与钻头悬挂架上。参照图16，当旧钻头安装于悬挂架后，启动并水平推拉系统3处的电机，使小齿轮32旋转，进而使夹爪系统1运动至新钻头处；当升举油缸系统运动至新钻头处后，夹爪系统1夹紧新钻头旋转，从而使新钻头与悬挂架分离。参照图17，当新钻头与悬挂架分离后，再使夹爪系统1运动至钻杆处；当新钻头运动至钻杆处后，使升举油缸系统的活塞杆伸出，并使升举油缸系统出的电机旋转，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，使升举油缸系统和夹持系统回退至原始位置；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，被使隔离油缸系统5的活塞杆伸出，从新建立隔水管与井口流动通道。

参照图2～7，夹爪系统1起到紧钻头的作用。夹爪系统1的工作原理为，蜗杆16带动齿轮旋转，齿轮旋转改变夹爪12的位置，从而使夹爪12夹紧钻头。

所述夹爪系统1由安装架11、夹爪12、双孔连杆13、三孔连杆14、涡轮15、蜗杆16构成。所述安装架11的上部和中部均设计有销孔，上销孔与双孔连杆13的下端形成销轴连接，下销孔与三孔连杆14的下端形成销轴连接。所述双孔连杆13与三孔连杆14的上端均与夹爪12形成销轴连接。安装架11的中部设计有腔体，腔体内安装有齿轮，齿轮与安装架11形成销轴连接。齿轮与三孔连杆14有两处销轴连接点，齿轮与齿轮之间安装有蜗杆16，所述齿轮与蜗杆16相互啮合。安装架11的下端设计有带通孔的圆环，螺栓穿过通孔将安装架11紧固于旋转系统2端面。安装架11圆环的内侧设计有横板17，螺栓穿过横板17将电机紧固于横板17端面。电机用于驱动蜗杆16旋转。

参照图7，所述旋转系统2起到旋转夹爪系统1的作用。旋转系统2包括旋转筒21和旋转电机22。旋转筒21安装与安装筒31内，旋转筒21上端面与夹爪系统1螺栓连接，旋转筒21的下端面与旋转电机22销轴连接。

参照图8～图9，所述水平推拉系统3起到使夹持系统水平运动的目的。所述水平推拉系统3由安装筒31、小齿轮32、直齿条33、滑轨34、滑轨座35和限位块36构成。所述安装筒31与旋转系统2之间安装有滚珠，安装筒31的下端面螺栓连接有旋转电机22，旋转电机22与旋转筒21之间形成花键连接。安装筒31的外表面右下侧焊接有滑轨34，滑轨34安装与滑轨座35内，滑轨34的右端面与限位块36螺栓连接，限位块36用于限制水平推拉系统3运动的最大位置。安装筒31的外表面右上侧设计双耳环，销轴穿过直齿条33的单耳环并使安装筒31与直齿条33形成销轴连接。所述直齿条33与小齿轮32相互啮合，小齿轮32与电机连接，电机安装与滑轨座35螺栓连接。

参照图10～图11，所述举升油缸系统4用于改变夹持系统的垂直高度。所述举升油缸安装于对开式的油缸安装座内，油缸安装座与油缸的法兰端盖之间安装有滚珠，缸的法兰端盖与电机形成花键连接，电机固定于油缸安装座内。