无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，属于石油天然气以及非常规天然气欠平衡钻井井控装置领域。所述旋转控制头主要包括旋转总成、卡箍总成、壳体总成，所述壳体总成的中部内腔设置有所述旋转总成，所述旋转总成与所述壳体总成通过所述卡箍总成联接；所述旋转总成内设置有对轴承和动密封组件集中冷却、润滑结构。通过单轴承旋转总成，可减少多个轴承装配精度的困难，降低旋转控制头的高度；不需要专门配套的冷却润滑泵站，将动密封变为湿摩擦，延长动密封件使用寿命；卡箍总成采用锥面与台阶面相结合，方便手动卡箍锁紧定位装配；壳体总成采用壳体本体与旁通口整体结构，无需转换法兰，降低旋转控制头重量和制作成本。
【专利说明】无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头
【技术领域】
[0001]本发明涉及石油天然气以及非常规天然气欠平衡钻井使用的井控装置领域，特别涉及一种无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头。
【背景技术】
[0002]目前世界提高煤层气产量的开采措施主要依靠欠平衡压力钻井作业，欠平衡压力钻井是指在钻井过程中钻井液柱作用在井底的压力低于底层孔隙压力，这样能及早发现油气藏。
[0003]旋转控制头是欠平衡钻井、地热钻井、煤层气钻井的关键设备之一，可以在井眼环空与钻柱之间起到封隔密封作用，并提供安全有效的压力控制，同时具有将井眼返出流体导离井口的作用，因此要提高我国非常规天然气的开采效率，需要研制配套旋转控制头作为装备支撑。旋转控制头主要由旋转控制头壳体和旋转控制头胶芯两部分构成，在欠平衡钻井时很重要的一个工作就是换装旋转控制头胶芯。
[0004]在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
[0005]随着陆地石油天然气的大量开采，煤层气等非常规天然气的开发成为我国能源的开发重点，探明我国煤层气页岩气的储量巨大，但是针对我国煤层气“三低”储藏特点，现有石油钻井使用的钻井设备、井控装置的直接引用并不能提高开采效率，反而增加开采成本，因此针对我国非常规天然气的开采研制配套的低成本、小型化设备成为重点。
[0006]目前国内煤层气开采欠平衡作业使用的旋转控制头主要分为两类:第一，进口国外小型化旋转控制头，价格昂贵；第二，石油开采常规设备直接引用，体积大，不能满足车载钻机钻台高度要求，不利于搬运，成本高浪费严重。
[0007]现有技术旋转控制头的壳体分为壳体本体与旁通组件，需要通过载丝结构进行连接，壳体本体通过自由锻造成型重量大，机加工费用高，浪费严重；旋转总成采用四个轴承结构装配费时并且困难，同时使旋转控制头高度不能降到最低；在欠平衡钻井作业中需要附加冷却润滑泵站，通过润滑泵向旋转总成润滑部位供给润滑剂，采用乳化液进行持续的冷却润滑作用；在井口的安装与胶芯的更换、搬运过程中容易造成管线接头的折断，同时附加冷去润滑泵站需要占用井站位置，搬运也不方便。
【发明内容】
[0008]为了解决煤层气钻井井控设备与工况不配套，旋转控制头体积大，车载钻机钻台高度受限，胶芯不易更换，以及需要附加冷却润滑泵站的问题，本发明实施例提供了一种无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，可完全满足煤层气的钻井工况，快速开采、快速方便拆卸、搬迁，生产成本低、生产周期短。所述技术方案如下:
[0009]一种无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，所述旋转控制头主要包括旋转总成、卡箍总成、壳体总成，所述壳体总成的中部内腔设置有所述旋转总成，所述旋转总成与所述壳体总成通过所述卡箍总成联接；所述旋转总成内设置有对轴承和动密封组件集中冷却、润滑结构；所述旋转总成至少包括:胶芯、胶芯连接盘、压盖密封圈、内六角堵头、防尘盖、孔挡圈、旋转总成密封、旋转壳体、出口油杯、出口防尘盖、出口孔挡圈、旋转总成上端盖、防尘罩、中心管、密封圈、旋转总成上端盖静密封圈、入口防尘盖、入口孔挡圈、入口油杯、轴承、带孔隔环、沉屑孔、隔环、车氏密封、防尘圈、动密封压盖。
[0010]具体地，所述旋转壳体穿过所述旋转总成密封设置在所述壳体总成的壳体本体内，所述中心管上端安装有防尘盖，所述中心管的轴肩处安装有单轴承，所述轴承外侧上缘设置有锁紧螺钉，所述轴承、锁紧螺钉、中心管安装在所述旋转壳体内单向定位，所述旋转总成上端盖与所述旋转壳体联接定位轴承，所述旋转总成上端盖外侧设有旋转总成上端盖静密封圈，内侧设有密封圈。
[0011]具体地，所述防尘罩与中心管联接，由带孔隔环、隔环、车氏密封组成的动密封组件安装在所述旋转壳体动密封槽内，通过动密封压盖固定，相接处设有压盖密封圈，所述动密封压盖内侧设有防尘圈。
[0012]具体地，所述旋转壳体出口设置有出口油杯、出口防尘盖、出口孔挡圈，入口设置有入口油杯、入口防尘盖、入口孔挡圈；所述胶芯连接盘与所述中心管下端联接，所述胶芯连接盘上端设有胶芯连接盘静密封圈与所述中心管静密封，所述胶芯设置在所述胶芯连接盘下端。
[0013]具体地，所述对轴承和动密封组件集中冷却、润滑结构，是在轴承位置处设有轴承腔唯一流道，所述流道下面设置有沉屑孔，所述带孔隔环位置处设有动密封进油流道。
[0014]具体地，所述卡箍总成至少包括:手动卡箍、台肩螺母、卡箍左本体、卡箍右本体、吊环螺钉、活节螺栓、开口销、活节螺栓销轴、卡箍销轴；所述卡箍总成安装于所述壳体总成上端，通过所述旋转总成密封所述旋转总成与所述壳体总成的间隙。
[0015]具体地,所述手动卡箍包括卡箍左本体和卡箍右本体,通过卡箍销轴联接，安装在所述壳体总成的卡箍铰链座上；所述吊环螺钉安装在所述卡箍左本体和卡箍右本体上，活节螺栓通过活节螺栓销轴安装在所述卡箍右本体上，用开口销固联，所述活节螺栓另一端设置在所述卡箍左本体凹槽内；所述手动卡箍的锥面卡装在所述旋转壳体上端锥面上，台阶面卡装在所述壳体本体的卡槽内。
[0016]具体地，所述壳体总成至少包括:壳体本体、壳体上口、卡箍铰链座、卡箍支撑块、限位螺钉、吊耳、旁通口 ；所述壳体本体与旁通口为整体式结构，所述卡箍铰链座、卡箍支撑块、吊耳固接在所述壳体本体外壁，所述限位螺钉安装在所述卡箍支撑块上。
[0017]本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0018]通过单轴承旋转总成，可以减少多个轴承结构装配精度的困难，降低旋转控制头的高度；对轴承和动密封组件采用集中冷却、润滑结构，将动密封变为湿摩擦，延长动密封件使用寿命；可以直接从油杯处加入冷却、润滑油，对旋转总成提供进行持续的冷却润滑作用，不需要专门配套的冷却润滑泵站；卡箍总成的卡箍左右本体采用锥面与台阶面结合的结构，更方便手动卡箍锁紧定位装配；壳体总成采用壳体本体与旁通口整体式结构，无需转换法兰，可以根据客户需要标配合适的法兰，同时大幅度降低旋转控制头重量和降低制作成本。
【专利附图】
【附图说明】[0019]为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1是本发明实施例提供的无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头结构示意图；
[0021]图2是本发明实施例提供的图1的剖视图；
[0022]图3是本发明实施例提供的无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头的卡箍总成结构示意图的俯视图；
[0023]图4是本发明实施例提供的图3的左视图；
[0024]图5是本发明实施例提供的无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头的壳体总成结构不意图的后视图；
[0025]图6是本发明实施例提供的图5的俯视图。
[0026]图中各符号表示含义如下:
[0027]I旋转总成；4胶芯，6胶芯连接盘，7六角螺母，8内六角圆柱头螺钉，9压盖密封圈，10十字沉头螺钉，11内六角堵头，12防尘盖，13孔挡圈，14旋转总成密封，16旋转壳体，17出口油杯，18出口防尘盖，19出口孔挡圈，20旋转总成上端盖，21六角头螺栓，22防尘罩，23内六角圆柱头螺钉，24中心管，25密封圈，26旋转总成上端盖静密封圈，27锁紧螺母，28入口防尘盖，29入口孔挡圈，30入口油杯，31轴承，32带孔隔环，33沉屑孔，34隔环，35车氏密封，36防尘圈，37动密封压盖；
[0028]2卡箍总成；15手动卡箍,42台肩螺母,43卡箍左本体,44卡箍右本体,45吊环螺钉，46活节螺栓，47开口销，48活节螺栓销轴，49卡箍销轴；
[0029]3壳体总成；5壳体本体，38螺母，39双头螺柱，40钢圈，41盲板法兰，50壳体上口，51卡箍铰链座，52卡箍支撑块，53限位螺钉，54吊耳、55旁通口 ；
[0030]A轴承腔仅有流道，B动密封进油流道。
【具体实施方式】
[0031]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0032]参见图1所示，本发明实施例提供了一种无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，不需要专门配套的冷却润滑泵站，对轴承和动密封组件采用集中冷却、润滑结构，延长动密封件使用寿命，通过胶芯密封钻具，实现压力控制；该旋转控制头主要由旋转总成1、卡箍总成2、壳体总成3等构成；所述壳体总成3的中部内腔设置有旋转总成I,所述旋转总成I与壳体总成3通过卡箍总成2联接，实现整个旋转控制装置的装配；所述旋转总成I内设置有对轴承和动密封组件集中冷却、润滑结构。
[0033]同时参见图2所示，具体地，作为优选，所述旋转总成I至少包括:胶芯4、胶芯连接盘6、六角螺母7、内六角圆柱头螺钉8、压盖密封圈9、十字沉头螺钉10、内六角堵头11、防尘盖12、孔挡圈13、旋转总成密封14、旋转壳体16、出口油杯17、出口防尘盖18、出口孔挡圈19、旋转总成上端盖20、六角头螺栓21、防尘罩22、内六角圆柱头螺钉23、中心管24、密封圈25、旋转总成上端盖静密封圈26、锁紧螺母27、入口防尘盖28、入口孔挡圈29、入口油杯30、轴承31、带孔隔环32、沉屑孔33、隔环34、车氏密封35、防尘圈36、动密封压盖37等零部件。
[0034]所述旋转壳体16穿过旋转总成密封14坐入壳体总成3的圆柱形结构壳体本体5内；所述中心管24上端安装有内六角堵头11、防尘盖12、孔挡圈13，避免在起、下钻过程中带出的钻井液污染O型密封圈25而降低该处动密封寿命；所述中心管24的轴肩处安装有单轴承31，通过轴肩定位；所述轴承31外侧上缘通过锁紧螺钉27将其锁紧固定；所述轴承31、锁紧螺钉27、中心管24安装在旋转壳体16内，单向定位；所述旋转总成上端盖20通过六角头螺栓21与旋转壳体16相连接，定位轴承31，所述旋转总成上端盖20外侧设有旋转总成上端盖静密封圈26，实现旋转壳体16和旋转总成上端盖20的静密封，避免润滑油的泄露，内侧设有O型密封圈25，实现与中心管24的旋转动密封；所述防尘罩22通过内六角圆柱头螺钉23与中心管24联接；由带孔隔环32、隔环34、车氏密封35组成的动密封组件安装在旋转壳体16动密封槽内，通过动密封压盖37固定；所述动密封压盖37内侧设有防尘圈36，所述旋转壳体16与动密封压盖37通过十字沉头螺钉10联接，联接处设有压盖密封圈9 ;所述旋转壳体16上部出口设置有出口油杯17、出口防尘盖18、出口孔挡圈19，入口设置有入口油杯30、入口防尘盖28、入口孔挡圈29 ;所述胶芯连接盘6通过内六角圆柱头螺钉8与中心管24下端相联接，所述胶芯连接盘6上端设有胶芯连接盘静密封圈，实现与中心管24的静密封，所述胶芯4通过栽丝螺栓和六角螺母7安装在胶芯连接盘6下端，所述胶芯4可密封钻具，实现压力控制。
[0035]所述旋转总成I内设置的对轴承和动密封组件集中冷却、润滑结构，是在旋转总成I的旋转壳体16内部钻孔，在轴承31位置处设有轴承腔唯一流道A，流道A下面设置有沉屑孔33，所述旋转总成I运动过程中产生的磨屑沉积在沉屑孔33中；带孔隔环32位置处设有动密封进油流道B，所述流道A、流道B分别润滑、冷却轴承和动密封组件，使冷却、润滑与旋转控制头一体化，构成无外挂冷却润滑泵站，用以替代现有技术在欠平衡钻井作业中需要附加的冷却润滑泵站。
[0036]同时参见图3、图4所示,具体地,作为优选,所述卡箍总成2至少包括:手动卡箍
15、台肩螺母42、卡箍左本体43、卡箍右本体44、吊环螺钉45、活节螺栓46、开口销47、活节螺栓销轴48、卡箍销轴49等零部件；所述卡箍总成2安装于壳体本体5上端，通过旋转总成密封14密封旋转总成I与壳体总成3之间的间隙；所述手动卡箍15包括卡箍左本体43和卡箍右本体44，通过卡箍销轴49联接，安装在所述壳体总成3的卡箍铰链座51上；两个吊环螺钉45对称安装在卡箍左本体43和卡箍右本体44上，用于井口吊装作业；活节螺栓46通过活节螺栓销轴48安装在卡箍右本体44上，并用开口销47进行固联，转动活节螺栓46另一端设置在卡箍左本体43凹槽内，拧紧台肩螺母42，即可实现卡箍总成2的卡进作用，固定旋转总成I ;所述手动卡箍15的截面为锥面与台阶面结合结构，所述锥面卡装在旋转壳体16上端锥面上，台阶面卡装在壳体本体5的卡槽内，该结构更方便于手动卡箍15锁紧定位装配，加工工艺更为简单，重量更轻。
[0037]同时参见图5、图6所示,具体地,作为优选,所述壳体总成3至少包括:壳体本体
5、壳体上口 50、卡箍铰链座51、卡箍支撑块52、限位螺钉53、吊耳54、旁通口 55等零部件；所述壳体本体5与旁通口 55为整体式结构；所述壳体上口 50内的密封槽内密封安装旋转壳体16，实现旋转总成I与壳体总成3的静密封；所述卡箍铰链座51、卡箍支撑块52焊接在壳体本体5外壁上部，所述吊耳54焊接在壳体本体5外壁中部，所述卡箍铰链座51给卡箍总成2提供旋转中心,卡箍支撑块52的作用是在卡箍总成2打开时给予手动卡箍15本体支撑，所述四个吊耳54均布在壳体本体5圆柱表面上，方便设备维护和井口安装；限位螺钉53通过螺纹安装在卡箍支撑块52上。
[0038]本发明实施例的工作原理:旋转总成I上端联接方钻杆驱动器，由方钻杆带动旋转总成I内的中心管24和胶芯4相对于壳体总成3转动，钻井介质经还空通过旁通口 55流出，进入固控系统，实现旋转控制头的功能:即实现井眼环空与钻台之前的封隔，提供安全有效的压力控制，将丼眼返出的流体导离井口。
[0039]旋转控制头工作时，润滑油通过带孔隔环32位置处设置的动密封进油流道B进入中心管24与动密封组件的接触区域，形成油膜润滑；轴承腔室仅有流道A内的润滑油由于压力的作用会进入到车氏密封35和中心管24的接触区域，实现润滑作用；同时，润滑油的压力可以辅助车氏密封35密封，井口压力可以辅助车氏密封35密封压井。
[0040]所述冷却、润滑油路的工作原理:先将冷却、润滑油通过入口油杯30注入，在入口油杯30外面设置的入口防尘盖28可防止起、下钻过程中的钻井液污染冷却、润滑油，当进入轴承腔、动密封组件的冷却、润滑油实现作用后，通过出口油杯17流出，通过动密封进油流道B和轴承腔室仅有流道A周而复始,实现轴承和动密封件的冷却、润滑；若因旋转控制头长时间工作产生的磨屑将油路通道堵塞，可以取下内六角堵头11，即可从入口油杯30注入压力油进行清洗油道。
[0041]此外，本发明实施例还具有的优点，结构简单，体积小，生产周期短，胶芯使用寿命长，易于更换，可用于煤层气等非常规天然气欠平衡钻井作业，实现安全钻井液压力控制。
[0042]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，其特征在于，所述旋转控制头主要包括旋转总成(I)、卡箍总成(2)、壳体总成(3)，所述壳体总成(3)的中部内腔设置有所述旋转总成(I)，所述旋转总成(I)与所述壳体总成(3)通过所述卡箍总成(2)联接；所述旋转总成(I)内设置有对轴承和动密封组件集中冷却、润滑结构；所述旋转总成(I)至少包括:胶芯(4)、胶芯连接盘(6)、压盖密封圈(9)、内六角堵头(11)、防尘盖(12)、孔挡圈(13)、旋转总成密封(14)、旋转壳体(16)、出口油杯(17)、出口防尘盖(18)、出口孔挡圈(19)、旋转总成上端盖(20)、防尘罩(22)、中心管(24)、密封圈(25)、旋转总成上端盖静密封圈(26)、入口防尘盖(28)、入口孔挡圈(29)、入口油杯(30)、轴承(31)、带孔隔环(32)、沉屑孔(33)、隔环(34)、车氏密封(35)、防尘圈(36)、动密封压盖(37)。
2.根据权利要求1所述的无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，其特征在于，所述旋转壳体(16)穿过所述旋转总成密封(14)设置在所述壳体总成(3)的壳体本体(5)内，所述中心管(24)上端安装有防尘盖(12)，所述中心管(24)的轴肩处安装有单轴承(31)，所述轴承(31)外侧上缘设置有锁紧螺钉(27)，所述轴承(31)、锁紧螺钉(27)、中心管(24)安装在所述旋转壳体(16)内单向定位，所述旋转总成上端盖(20)与所述旋转壳体(16)联接定位轴承(31)，所述旋转总成上端盖(20)外侧设有旋转总成上端盖静密封圈(26)，内侧设有密封圈(25)。
3.根据权利要求1所述的无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，其特征在于，所述防尘罩(22)与中心管(24)联接，由带孔隔环(32)、隔环(34)、车氏密封(35)组成的动密封组件安装在所述旋转壳体(16)动密封槽内，通过动密封压盖(37)固定，相接处设有压盖密封圈(9)，所述动密封压盖(37)内侧设有防尘圈(36)。
4.根据权利要求1所述的无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，其特征在于，所述旋转壳体(16)出口设置有出口油杯(17)、出口防尘盖(18)、出口孔挡圈(19)，入口设置有入口油杯(30)、入口防尘盖(28)、入口孔挡圈(29);所述胶芯连接盘(6)与所述中心管(24)下端联接，所述胶芯连接盘(6)上端设有胶芯连接盘静密封圈与所述中心管(24)静密封，所述胶芯(4)设置在所述胶芯连接盘(6)下端。
5.根据权利要求1所述的无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，其特征在于，所述对轴承和动密封组件集中冷却、润滑结构，是在轴承(31)位置处设有轴承腔唯一流道(A)，所述流道(A)下面设置有沉屑孔(33)，所述带孔隔环(32)位置处设有动密封进油流道⑶。
6.根据权利要求1所述的无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，其特征在于，所述卡箍总成(2)至少包括:手动卡箍(15)、台肩螺母(42)、卡箍左本体(43)、卡箍右本体(44)、吊环螺钉(45)、活节螺栓(46)、开口销(47)、活节螺栓销轴(48)、卡箍销轴(49);所述卡箍总成(2)安装于所述壳体总成(3)上端，通过所述旋转总成密封(14)密封所述旋转总成(I)与所述壳体总成(3)的间隙。
7.根据权利要求6所述的无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，其特征在于，所述手动卡箍(15)包括卡箍左本体(43)和卡箍右本体(44),通过所述卡箍销轴(49)联接，安装在所述壳体总成(3)上；所述吊环螺钉(45)安装在所述卡箍左本体(43)和所述卡箍右本体(44)上，活节螺栓(46)通过活节螺栓销轴(48)安装在所述卡箍右本体(44)上，用所述开口销(47)固联，所述活节螺栓(46)另一端设置在所述卡箍左本体(43)凹槽内；所述手动卡箍(15)的锥面卡装在所述旋转壳体(16)上端锥面上，台阶面卡装在所述壳体本体(5)的卡槽内。
8.根据权利要求1所述的无外挂冷却润滑泵站低压轻型旋转控制头，其特征在于，所述壳体总成(3)至少包括:壳体本体(5)、壳体上口(50)、卡箍铰链座(51)、卡箍支撑块(52)、限位螺钉(53)、吊耳(54)、旁通口(55);所述壳体本体(5)与旁通口(55)为整体式结构，所述卡箍铰链座(51)、卡箍支撑块(52)、吊耳(54)固接在所述壳体本体(5)外壁，所述限位螺钉(53)安装在所述卡箍支撑块(52)上。
【文档编号】E21B33/03GK103939046SQ201310022855
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2013年1月22日 优先权日:2013年1月22日
【发明者】袁光杰, 夏焱, 申瑞臣, 班凡生, 庄晓谦, 李景翠, 董胜祥, 路立君, 付利 申请人:中国石油天然气集团公司, 中国石油集团钻井工程技术研究院